VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY PODPORA SLUŽEB REÁLNÉHO ASU V SOUASNÝCH MOBILNÍCH SÍTÍCH TETÍ GENERACE

VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKA NÍCNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS

PODPORA SLUŽEB REÁLNÉHO ASU V SOU ASNÝCH MOBILNÍCH SÍTÍCH T ETÍ GENERACE SUPPORT OF REAL-TIME SERVICES IN RECENT 3G MOBILE NETWORKS

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER´S THESIS

AUTOR PRÁCE

Bc.LUKÁŠ VINKLER

VEDOUCÍ PRÁCE

doc. Ing. VÍT NOVOTNÝ, Ph.D.

AUTHOR

SUPERVISOR

BRNO 2009

Diplomová práce magisterský navazující studijní obor Telekomunika ní a informa ní technika Student: Ro ník:

Bc. Lukáš Vinkler 2

ID: 83148 Akademický rok: 2008/2009

NÁZEV TÉMATU: Podpora služeb reálného asu v sou asných mobilních sítích t etí generace POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Seznamte se s architekturami sítí t etí generace nasazených v eské republice, tj. UMTS-FDD, UMTS-TDD a CDMA-2000. Prostudujte také architekturu sít WiMAX. Podrobn rozeberte principy podpory služeb reálného asu v paketov spojovaných doménách mobilních sítí. Za pomocí dostupných prost edk (terminál a SW) otestujte funk nost služeb typu hovor, videokomunikace, p ístup na Internet a p enos soubor ve výše uvedených sítích a zm te jejich základní kvalitativní parametry. Záv rem zhodno te vhodnost jednotlivých typ sítí pro integraci r zných služeb. Na základ výsledk navrhn te laboratorní úlohu.

DOPORU ENÁ LITERATURA: [1] CASTRO, J.P. All IP in 3G CDMA Networks. John Wiley & Sons, ISBN 0-470-85322-0, UK, 2004 [2] D. COLLINS, C. SMITH 3G Wireless Networks. McGraw-Hill Professional; ISBN: 0071363815, USA,2001

Termín zadání: 9.2.2009

Termín odevzdání: 26.5.2009

Vedoucí práce: doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D. prof. Ing. Kamil Vrba, CSc. P edseda oborové rady UPOZORN NÍ: Autor diplomové práce nesmí p i vytvá ení diplomové práce porušit autorská práva t etích osob,zejména nesmí zasahovat nedovoleným zp sobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být pln v dom následk porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona . 121/2000 Sb.,v etn možných trestn právních d sledk vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona .140/1961 Sb.

II

ABSTRAKT Tato diplomová práce je zam ena na sou asnou t etí generaci mobilních sítí. První ást popisuje standardiza ní vývoj 3G a mapuje postupný rozvoj 3G sítí v eské republice z hlediska komer n spušt ných technologií a p id lených frekven ních pásem pro jednotlivé operátory p sobících na eském trhu. V dalších podkapitolách v první ásti jsou stru n p iblíženy technologie UMTS a CDMA 2000. Podkapitola CDMA 2000 stru n popisuje architekturu a fyzickou vrstvu této sít a charakterizuje základní prvky ty revizí u vývojové v tve CDMA 2000 1x EV-DO. Podkapitola UMTS se p edevším zam uje na porovnání fyzických vrstev dvou r zných p ístupových technologií, a to TD-CDMA a W-CDMA. Pro zajišt ní lepších podmínek mobilního p ipojení pro provozování služeb reálného asu byly implementovány nové prvky do stávajícího systému UMTS. Tyto prvky zvyšující p enosovou rychlost a snižující zpožd ní jsou popsány v kapitole Technologie HSPA. Tato kapitola vybírá nejd ležit jší z nich a popisuje jaké zm ny ( ízení, architektura) musely být ve stávající UMTS architektu e provedeny. První kapitola je uzav ena technologií WiMAX. Podkapitola stru n porovnává technologii WiMAX se sou asnými nejperspektivn jšími bu kovými systémy a p ináší kvalitativní parametry p ipojení této technologie. Na eském trhu jsou komer n spušt ny t i r zné technologie 3G: UMTS-FDD, UMTS-TDD a CDMA 2000. Druhá kapitola stru n srovnává 3G pokrytí všech t í eských operátor : Telefónica O2, T-Mobile a U:fon, a po té prezentuje výsledky kvalitativních parametr mobilních p ipojení p íslušných 3G technologií. Testy provád né pomocí simula ního softwaru IxChariot byly zam eny na prom ení a porovnání parametr propustnost, zpožd ní, jitter, ztrátovost, MLR a DF. Na základ prom ení t chto parametr byly stanoveny p edpoklady pro provozování VoIP a videohovor u jednotlivých operátor , které byly prakticky ov eny. V poslední kapitole je zpracována laboratorní úloha, která má seznámit studenty s technologií UMTS-TDD komer n provozovanou operátorem T-Mobile a za pomocí b žn dostupných nástroj prom it všechny kvalitativní parametry této technologie.

KLÍ OVÁ SLOVA VÝVOJ 3G, UMTS, HSPA, KVALITATIVNÍ PARAMETRY 3G, WIMAX

III

ABSTRACT This Master’s thesis is focused on the recent 3G mobile networks. The first chapter describes an evolution of standardization 3G and surveys a gradual development of 3G networks in Czech Republic from a point of view of commercially launched technologies and assigned frequency spectrums for single mobile operators. UMTS and CDMA 2000 are briefly approached in next subchapters. The subchapter CDMA 2000 is briefly concentrated on architecture and a physical layer of this technology and characterizes main features of four revises of developmental branch CDMA 2000 1x EV-DO. The subchapter UMTS is especially focused on a comparison of air interfaces TD-CDMA and W-CDMA. New features were implemented to the recent system UMTS for a better support of real-time services. These features increasing a throughput and decreasing a delay are described in a chapter Technology HSPA. This chapter chooses the most important features and describes changes (in a control and architecture) which had to be implemented. First chapter is finished by technology WiMAX. The most recent perspective cell systems are compared with WiMAX in this subchapter and qualitative parameters of WiMAX are shown there. The three different 3G technologies (UMTS-FDD, UMTS-TDD and CDMA 2000) are lunched in Czech Republic. The second chapter briefly compares coverage of three czech mobile operators (Telefónica O2, T-Mobile and U:fon) and then presents results of qualitative parameters of used 3G technologies. The simulation conducted by software IxChariot were focused on to gauge parameters like throughput, delay, jitter, lost data, MLR and DF. The conditions for providing real-time services were specified based on simulations that were practically checked. The lab composed in last chapter should bring closer to students technology UMTSTDD launched by T-Mobile. The students will measure the qualitative parameters of this technology with the assistance of commonly available tools.

KEY WORDS 3G EVOLUTION, UMTS, HSPA, 3G QUALITATIVE PARAMETERS, WIMAX

IV

CITACE PRÁCE VINKLER, L. Podpora služeb reálného asu v sou asných mobilních sítích t etí generace. Brno: Vysoké u ení technické v Brn , Fakulta elektrotechniky a komunika ních technologií, 2009. 78 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D.

V

PROHLÁŠENÍ O P VODNOSTI PRÁCE Prohlašuji, že svou diplomovou práci na téma „Podpora služeb reálného asu v sou asných mobilních sítích t etí generace“ jsem vypracoval samostatn pod vedením vedoucího diplomové práce a s použitím odborné literatury a dalších informa ních zdroj , které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvo ením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva t etích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným zp sobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si pln v dom následk porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona . 121/2000 Sb., v etn možných trestn právních d sledk vyplývajících z ustanovení §152 trestního zákona . 140/1961 Sb.

V Brn dne ……………

……………………….. (podpis autora)

VI

POD KOVÁNÍ D kuji vedoucímu diplomové práce doc. ing. Vítu Novotnému, Ph.D. za velmi užite nou metodickou pomoc, cenné rady a vedení p i zpracování této diplomové práce. Dále d kuji rodi m, prarodi m a p ítelkyni Pavle, že mi poskytli zázemí a byli mi oporou p i psaní této diplomové práce.

V Brn dne ……………

……………………….. (podpis autora)

VII

OBSAH Úvod ........................................................................................................................................... 1 1 Vývoj mobilních sítí – cesta k sítím t etí generace ............................................................ 2 1.1 Historie ....................................................................................................................... 2 1.2 Vývoj UMTS.............................................................................................................. 2 1.2.1 Proces IMT-2000................................................................................................ 3 1.2.2 Prvky spole né pro všechny 3G systémy ........................................................... 4 1.2.3 Rozvoj 3G v eské Republice ........................................................................... 5 1.3 P ístup CDMA............................................................................................................ 6 1.4 CDMA 2000............................................................................................................... 7 1.4.1 cdmaOne............................................................................................................. 7 1.4.2 Technologie CDMA2000................................................................................... 7 1.5 UMTS....................................................................................................................... 10 1.5.1 UMTS - FDD ................................................................................................... 10 1.5.2 Charakteristika fyzické vrstvy W-CDMA........................................................ 11 1.5.3 UMTS-TDD ..................................................................................................... 13 1.6 Technologie HSDPA a HSUPA (HSPA) ................................................................. 14 1.6.1 HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) ............................................. 15 1.6.2 HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) .................................................. 18 1.7 Wimax ...................................................................................................................... 22 1.7.1 Charakteristika WIMAX .................................................................................. 22 1.7.2 WiMAX v R, kvalitativní parametry ............................................................. 24 2 M ení kvalitativních parametr v mobilních sítích operátor v R............................... 26 2.1 M ení kvalitativních parametr sít 3G – T-Mobile .............................................. 26 2.1.1 Základní informace .......................................................................................... 26 2.1.2 Hardware .......................................................................................................... 27 2.1.3 Software ........................................................................................................... 27 2.1.4 Výsledky m ení .............................................................................................. 27 2.2 M ení kvalitativních parametr sít 3G – Telefónica O2 ....................................... 37 2.2.1 Základní informace .......................................................................................... 37 2.2.2 Hardware .......................................................................................................... 38 2.2.3 Software ........................................................................................................... 39 2.2.4 Výsledky m ení .............................................................................................. 40 2.3 M ení kvalitativních parametr sít 3G – U:fon .................................................... 52 2.3.1 Základní informace .......................................................................................... 52 2.3.2 Servisní informace............................................................................................ 52 2.3.3 Software ........................................................................................................... 54 2.3.4 Výsledky m ení .............................................................................................. 55 3 Technologie UMTS TDD – Laboratorní úloha................................................................ 61 3.1 Teoretický úvod........................................................................................................ 61 3.2 Úkoly a otázky ......................................................................................................... 62 4 Záv r................................................................................................................................. 65 Literatura .................................................................................................................................. 68 Seznam použitých zkratek........................................................................................................ 70 Seznam p íloh........................................................................................................................... 73 P ílohy ...................................................................................................................................... 74 A. T-Mobile....................................................................................................................... 74 B. Telefónica O2................................................................................................................ 75 C. U:fon............................................................................................................................. 77 VIII

ÚVOD Úsp ch sít druhé generace (2G) p edevším technologie GSM je nesporný. Tento standard byl celosv tov p ijat a pomohl k rozší ení mobilní komunikace mezi široká spektra obyvatelstva. Nebyla to už jen technologie pro majetné ob any. GSM je spojována p edevším s masivním rozvojem hlasové komunikace. Podporuje i p enos datové komunikace, p enosová rychlost byla však velmi pomalá. O rozvoj mobilní datové komunikace se zasloužila 2,5 generace, a to p edevším technologie GPRS a EDGE (nadstavby systému GSM). Tyto technologie s sebou p inesly teoretické p enosové rychlosti až 236,8 kb/s, v reálných podmínkách to je 40 kb/s pro GPRS, 200 kb/s pro EDGE. Tyto p enosové rychlosti už relativn zp ístup ují sí Internet se službami www, ftp (pro dokumenty bez multimediálního obsahu) a e-mail. Z marketingového hlediska je tato etapa mobilní komunikace popisována mobilními operátory jako technologie, která „má koncové zákazníky nau it využívat i mobilní datovou komunikaci“. Ovšem velmi vysoké ceny za p enesenou jednotku dat, vysoké m sí ní paušály, rozvoj a rozší ení Wi-Fi sítí a rozvoj xDSL neumožnily takový nár st zákazník , jak by si mobilní operáto i p edstavovali. Dlouho o ekávaná sí 3G m la p inést dostate n kvalitní p ipojení pro rychlé stahování dat z internetu, bezproblémové prohlížení www stránek s multimediálním obsahem a též i p enos hlasu p es IP (VoIP). Teoretické specifikace dávaly velmi slibné šance tyto požadavky splnit (až 14,4 Mb/s). I p es velmi drahé licence jednotliví operáto i zprovoznili své 3G sít za použití technologie UMTS (HSDPA) i CDMA 2000 a provozují je v komer ním provozu. Vývoj sítí v eské republice je však velmi opožd ný. Jednotliví operáto i sice provozují své 3G sít , ale s velmi nekvalitním pokrytím i využitím sice standardizované, ale velmi málo využívané technologie. Ur itý impuls do rozvoje mohl p inést výrobek od firmy Apple, iPhone s podporou 3G. I když pokrytí není na vysoké úrovni, soust e uje se p edevším na dv nejv tší metropole Prahu a Brno, v lepším p ípad i na velká okresní a krajská m sta. Ú elem této práce je p edevším zjistit, jaké kvalitativní parametry tyto technologie (propustnost, zpožd ní, jitter, ztrátovost, MLR a DF) mají a zda je možné u t chto sítí provozovat služby v reálném ase na dostate né úrovni. M ení za pomocí simula ního nástroje IxChariot bylo provedeno u t í operátor , kte í provozují 3G sít (O2, T-Mobile a U:fon). Nem žeme si nevšimnout i rozvoj další bu kové technologie WiMAX. Její význam je sice díky politice TÚ zatím jen lokální, ale výkonnost, mobilita a p íslušné parametry p ipojení jsou na vysoké úrovni. Tato práce dále uvádí do technologie WiMAX a porovnává parametry p ipojení s technologiemi HSPA a CDMA 2000.

1

1 VÝVOJ MOBILNÍCH SÍTÍ – CESTA K SÍTÍM T ETÍ GENERACE 1.1 HISTORIE První pokusy o vybudování mobilních sítí se objevovaly od konce 2. sv tové války, avšak z d vodu nedostate né úrovn výrobních technologií a zpracování signál se vždy jednalo o proprietární ešení firem a z stalo u sítí s malým rozsahem pokrytí a pro úzkou skupinu uživatel . První generací skute ných mobilních sítí (1G) byly analogové technologie jako Advanced Mobile Phone System (AMPS) nebo Nordic Mobile Telephony (NMT), které poskytovaly více mén pouze hlasové služby s nízkou úrovní zabezpe ení a kvality p enosu. Další generací byla druhá generace (2G), která již byla digitální a p inesla s sebou další výhody a služby, p edevším p enos dat. Jeden z nejúsp šn jších model druhé generace byl Global System for Mobile communication (GSM), který byl po n kolika letech rozší en o podporu paketového zp sobu p enosu dat – technologii GPRS, umož ující reálné p enosové rychlosti kolem 40-60 kb/s, dopln nou pozd ji o technologii EDGE s ozna ením EGPRS, která díky 8-stavovému fázovému klí ování a n kterým dalším vylepšením umožnila p enosové rychlosti kolem 200 kb/s. Další generací, která p išla na p elomu tisíciletí, byla sí t etí generace (3G), která je velmi univerzální a poskytuje p ístup k jakýmkoliv službám. Mezi tyto služby pat í hlas, video, data nebo jakákoliv kombinace. D vod pro vývoj této sít bylo mnoho, avšak t žko lze soudit, který dal hlavní impuls. Koncoví uživatelé žádali více nehlasových služeb a bohatší mobilní obsah, mobilní operáto i hledali nový zdroj p íjmu, protože p íjmy z hlasových služeb dosáhly maxima. Operáto i, kte í se úsp šn uplatnili na poli dat, nemají dostatek spektra pro udržení sou asného množství provozu. Hlavními zem mi udávajícími sm r a tempo vývoje pro sít 3G dle [1] byly a jsou asijské zem Jižní Korea a Japonsko, protože zdejší operáto i m li zisky p edevším z datového sektoru. Na druhou stranu situace v t chto asijských zemích se nedá porovnávat se zbytkem sv ta, kde mobilní trh je velmi odlišný. Poptávka po mobilních datových službách není p íliš vysoká, a to z d vodu pom rn vysokých cen za datové p ipojení p es mobilní sí .

1.2

VÝVOJ UMTS

3G standard navržený institucí European Telecommunications Standards Institute (ETSI) se týká univerzálního mobilního telekomunika ního systému (UMTS). UMTS je jeden ze standard zast ešených pod standardem IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000) podle [1], [3], [2], který je definovaný sadou díl ích doporu ení vydaných pracovními sektory ITU-T, ITU-R a ITU-D (International Telecommunications 2

Union – T-Telecommunication, R-Radiocommunication, D-Development standardization sectors). Standard UMTS se v sou asnosti stává dominantním typem a je specifikován jako p echod ze standardu GSM druhé generace p es standard EDGE. Cílem 3G je poskytnout takovou sí ovou infrastrukturu, která bude podporovat mnohem v tší škálu služeb s garancí kvality a vyšší datovou propustností v bec. Na druhou stranu mnoho prvk sít 3G je shodných s t mi již existujícími v sítích druhé generace, proto se vývoj 3G ubíral postupnými kroky. V sí ové infrastruktu e se zm ny nejd íve projevily v p ístupové ásti sít (Radio Access Network) a teprve pozd ji v síti páte ní (Core Network). Evolu ní zm ny musely probíhat i v oblasti marketingu. Koncoví zákazníci se museli „nau it“ používat tyto služby. I z tohoto d vodu byla vyvinuta 2,5G.

1.2.1 Proces IMT-2000 IMT-2000 je celosv tový proces koordinován ITU-T pro p echod na sí t etí generace a pokrývá jak technickou specifikaci, tak frekven ní roz len ní spektra [1]. Tento proces má v úmyslu za lenit mnoho technologií pod ITU-T, aby nedocházelo k sout žení mezi regionálními technologiemi. Rodina IMT zast ešuje tyto technologie: •

IMT-DS (direct sequence) je UMTS FDD (frequency division duplex),

•

IMT-MC (multi carrier) je CDMA2000,

•

IMT-TC (time code) je UMTS TDD (time division duplex) a TD-SCDMA (time division synchronous CDMA),

•

IMT-SC (single carrier) je EDGE standard,

•

IMT-FT (frequency time) je DECT.

Na konci minulého století došlo též k výb ru vhodných p ístupových technologií pro jednotlivé reprezentanty rodiny IMT. Pro IMT-DS byla vybrána širokopásmová CDMA (Wideband CDMA) a TD-CDMA (Time Division CDMA) pro IMT-TC. P i vývoji 3G sít byly stanoveny ur ité požadavky, které m ly být dodrženy. Mezi tyto požadavky pat í podpora paketové i okruhov p epínané sít , spolupráce s PSTN, ISDN, PSDN. Krom výše zmín ných požadavk byly ustanoveny i požadavky na dosažitelnou rychlost, které m ly p inést dobré p ipojení k Internetu v ádu stovek kb/s a podporu VoIP a video p enos : •

384 kb/s p i pokrytí celé oblasti,

•

2 Mb/s p i lokálním pokrytí.

O rozvoj t chto standard se starají dv organizace, 3GPP (the third generation partnership project) a 3GPP2 (the third generation partnership project 2). První z nich má na starost UMTS a EDGE, druhá se stará o CDMA2000. Jak bylo zmín no výše, základní úlohou

3

tohoto procesu bylo vymezit ást spektra pro 3G sí . Podle IMT2000 to m ly být tyto ásti spektra: 1885 MHz – 1980 MHz, 2010 MHz – 2025 MHz, 2110 MHz – 2170 MHz. Ve skute nosti byly n které ásti spektra využity jinými službami. V regionu Evropa/Asie je ást tohoto spektra využita službou DECT a MSS (Mobile Satellite System, je to satelitní ást 3G), jak m žeme vid t na Obr. 1.1. P edpokládal se však obrovský vývoj mobilní komunikace, proto Sv tová konference rádiové komunikace p idala v roce 2000 další pásma pro provozování sítí 3G: •

806 MHz – 960 MHz,

•

1710 MHz – 1885 MHz,

•

2500 MHz – 2690 MHz.

1.2.2 Prvky spole né pro všechny 3G systémy Handover Pomocí rake p ijíma e mobilní stanice p ijímá signály od r zných zdroj a kombinuje je do kvalitn jšího signálu, tzn. že mobilní stanice je p ipojena do více bun k sou asn , více v [2], [3]. Admission control Jednotliví uživatelé generují provoz s r znými požadavky na QoS a ú elem této funkce je zajistit správu p ístupu mezi novými p ipojeními a již existujícími. Nap íklad p i pln vytíženém systému by byli b žní uživatelé systémem odmítnuti, zatímco uživatelé s vysokou prioritou budou systémem p ijati na úkor snížení p enosové rychlosti u již existujících p ipojení. Code allocation Zatímco v 2G systémech jsou jednotliví uživatelé rozlišeni asovými sloty, v 3G systémech to je kód, který jednotlivé uživatele odlišuje. Využívají se ortogonální kódy, které neinterferují mezi sebou. Power control Je jedním z nejd ležit jších prvk 3G systém . ím více chceme dosáhnout vyšší p enosové rychlosti nebo chceme vysílat do okrajových ástí bu ky, tím základnová stanice musí vysílat s v tším výkonem. Proto algoritmus ízení výkonu zajiš uje, aby vysílaná data byla p ijata mobilní stanicí s dostate nou úrovní signálu. Na druhou stranu se též ídí vysílací výkony mobilních stanic, aby signály p icházející do základnové stanice m ly stejnou úrove na p ijíma i Node B a aby potla ily near-far problém.

4

1.2.3 Rozvoj 3G v

eské republice

Aby mohli operáto i komer n nabízet 3G sí , museli v jednotlivých státech projít procesem licencování, který v tšinou probíhal v aukcích. Licence stály budoucí 3G operátory mnoho finan ních prost edk , které se jim v tšinou dosud nezaplatily. K 1. íjnu 2008

Obr. 1.1: Popis rozd lení spektra UMTS pro region Evropa/Asie

jsou ve 110 státech komer n provozovány 3G sít , ve kterých 248 operátor provozuje UMTS sí . V Tab. 1.1 [9] je zobrazena situace ve st ední Evrop . Jak m žeme vid t, operáto i v eské republice se moc „nehrnou“ do výstavby 3G sít a nejsou ani blízko jakékoliv dohody, ve které by se zavázali ke stavb spole né 3G sít i p esto, že zaplatili obrovské sumy za ud lení licence. Tab. 1.1: Situace rozvoje sít UMTS ve st ední Evrop

Zem eská Republika

Polsko

Slovensko

Rakousko

Operátor UMTS za átek Telefonica O2 ano 12/2005 T - Mobile ano 12/2006 U:fon CDMA2000 Q4/2006 Vodafone ano - test 3/2009 Centerel ano 06/2006 P4 ano 03/2007 Polkomtel ano 10/2004 Era ano 04/2006 Orange ano 03/2006 T-Mobile ano 01/2006 Telefonica O2 v plánu Q4/2008 ONE ano 12/2003 Hutchison ano 05/2003 Mobilkom A ano 04/2003 T - Mobile ano 12/2003

HSDPA ano ne ne ano ano ano ano ano ano ano ne ano ano ano ano

HSUPA zá í 09 ne ne ano ano ano ano ano ano ne ne ne ano ano ano

Rozd lení rádiového spektra a p id lení licencí mezi operátory podle IMT-2000 se v eské republice zabezpe uje TÚ ( eský telekomunika ní ú ad). K listopadu roku 2008 podle na ízení TÚ jsou všechny technologie sít 3.generace v t chto kmito tových pásmech: • •

•

U:fon: pásmo 410 – 430 MHz pro technologii CDMA 425. O2: pásmo 451,3– 455,74 MHz / 461,3–465,74 MHz pro technologii CDMA 450, pásmo 1910 – 1915 MHz pro technologii UMTS TDD, pásmo 1960 – 1980 MHz pro technologii UMTS FDD sm r uplink, pásmo 2150 – 2170 MHz pro technologii UMTS FDD sm r downlink. T-Mobile: pásmo 872–875,8 / 917–920,8 MHz pro technologii UMTS TDD, pásmo 1900 – 1905 MHz pro technologii UMTS TDD, pásmo 1920 – 1940 MHz pro technologii UMTS FDD sm r uplink, 5

•

Vodafone:

pásmo 2110 – 2130 MHz pro technologii UMTS FDD sm r downlink. pásmo 1905 – 1910 MHz pro technologii UMTS TDD, pásmo 1920 – 1940 MHz pro technologii UMTS FDD sm r uplink, pásmo 2110 – 2130 MHz pro technologii UMTS FDD sm r downlink.

Obr. 1.2: P i azené frekvence pro 3G sí pro jednotlivé operátory v R

1.3 P ÍSTUP CDMA Tento systém je založený na mnohonásobném kódovém p ístupu CDMA [5], [7]. Je to systém s rozprost eným spektrem, který využívá pro danou komunikaci díky rozprost ení a kódovému odd lení mnohonásobného p ístupu mnohem širší ší ku pásma. Pro dosáhnutí rozprost eného spektra se využívají dv techniky. První FH (frequecny hopping) není využívána komer n v 3G sítích, pro 3G sí byla zvolená druhá technika DS (direct sequence). Tato technika využívá OVSF (Orthogonal Variable Spread Factor) kódy, jejichž ipová rychlost je mnohem vyšší než uživatelská rychlost dat. Uživatelská data jsou tímto OVSF kódem modulována a tím dojde k jejich rozprost ení ve spektru. Pomocí skramblování dále dojde k zrovnom rn ní rozprost ení energie do širokého pásma, což má za následek, že se užite ný signál ve spektru jeví jako šum, ímž je obtížné ho odposlouchávat (LPI, low probability of interception). Tato technologie je širokopásmová, protože nedochází k asovému ani kmito tovému rozlišení ú astník . Všechna aktivní koncová za ízení komunikují ve stejném pásmu a ve stejný okamžik, každý z nich je však odlišen p íslušným pseudonáhodným kódem, bez kterého by p enášena data nemohla být obnovena. Kapacita systému neroste do nekone na, ale je daná požadovaným pom rem množství energie na bit Eb a spektrální úrovni rušení N0 - Eb/N0. Ten je ovliv ován vysílacím výkonem, initelem rozprost ení, úrovní rušení, který tvo í šum pozadí, rušení generované jinými technologiemi a p edevším provozem, který generují ostatní vysílající ú astníci. To pak p ichází na vstup p ijíma e. Pro systémy CDMA se požadovaná hodnota Eb/No pohybuje mezi 3 dB až 9 dB v závislosti na rychlosti pohybu mobilní stanice. Aby docházelo co k nejefektivn jšímu a správnému využití spektra systémem CDMA, musí všechna koncová za ízení vysílat pouze s takovým výkonem, aby na vstupu p ijíma e se dostal signál práv s požadovaným pom rem Eb/N0. Toho se dosáhne r znými technikami k nastavování výkonu (open loop a closed loop control). Schéma otev ené smy ky (open loop power control) se využívá pro úpravu vysílacího výkonu mobilní stanice p i prvotním p ístupu k síti, kdy mobilní stanice z úrovn a z informací pilotního signálu zjistí útlum trasy a podle toho si vypo ítá po áte ní vysílací 6

výkon. V uzav ené smy ce (closed loop) Node B sleduje a porovnává výkon všech mobilních stanic a v dop edném sm ru jim posílá výkonové p íkazy na úpravu úrovn výkonu, které jsou p enášeny nechrán ny pro v tší rychlost jejich zpracování. U p ístupu CDMA je koeficient opakovaného použití kmito tového pásma roven jedné, tzn. že je možné použít jedno pásmo na pokrytí libovoln velké oblasti. Tím CDMA umož uje mnohem v tší efektivitu využití kmito tového spektra a podporu široké škály služeb s r znými požadavky na p enosovou rychlost.

1.4 CDMA 2000 1.4.1 cdmaOne Technologie cdmaOne vychází ze standardu IS-95, který zahrnuje i revize IS-95A a IS-95B. Krom základní hlasové služby poskytované systémem IS-95A je IS-95A technologie poskytující okruhov spojovaná datová spojení s rychlostí 14,4 kb/s (download), revize B nov definuje i paketová spojení s rychlostí až 64 kb/s, ímž se tato technologie za azuje mezi 2,5G technologii. Technologie cdmaOne v bun ných sítích je 2G technologie, která je alternativou pro GSM sít . Díky použité mnohonásobné p ístupové technice CDMA p ináší tato technologie adu výhod z hlediska využití kmito tového pásma. Kapacita cdmaOne [7], [6] je až 5x vyšší než u GSM a nabízí zjednodušené systémové plánování. Technologie cdmaOne využívá frekven n d lený duplex (FDD), se ší kou pásma 1,23 MHz a ipovou rychlostí 1,2288 Mc/s, pracující v kmito tových pásmech 800 MHz, 900 MHz, 1700 MHz, 1800 MHz a 1900 MHz, který podporuje e-mail, internet, fax, paging i SMS, více o cdmaOne v publikaci [21].

1.4.2 Technologie CDMA2000 Technologie CDMA2000 [3], [1] vychází z technologie cdmaOne a je vyvíjena sesterskou organizací 3GPP2, je zp tn kompatibilní s IS-95A, což znamená i využívání stejné ší ky pásma. Technologie CDMA 2000 m že využívat v dop edném sm ru až N nosných frekvencí (pásem), kde každá má ší ku pásma 1,25 MHz a parametr N nabývá hodnot 1 a 3, v reverzním sm ru jednu nosnou o ší ce pásma 1,25 MHz. CDMA 2000 je nejvíce rozší ená v kombinaci 1xRTT a 1xEV-DO. P vodn se uvažovalo i o vývoji verze 1xEV-DV (1x Evolution Data and Voice), která by umož ovala simultánní b h obou služeb (data a hlas). Tato technologie se však neosv d ila a vývoj byl ukon en. EV-DO (Evolution Data Only, po marketingové analýze zm n no na Data Optimized) využívá techniky pro optimalizování efektivity spektra, turbo kódy, adaptivní modulace a kódování. Existují 4 revize u vývojové v tve 1xEV-DO, a to Rev 0, Rev.A, Rev.B a Rev.C.

7

1.4.2.1.1 1xEV-DO Rev.0 Podle výše zmín ného ozna ení 1x znamená ší ku pásma 1,25 MHz. EV-DO Rev.0 je optimalizovaná pouze na p enos dat, ne pro podporu okruhov p epínaných služeb a hlasu. Je ale možné implementovat tuto podporu na novou nosnou. Tato revize m že dosahovat p enosové rychlosti až 2,4 Mb/s v dop edném sm ru (downlink) a 153 kb/s ve zp tném sm ru (uplink). T chto rychlostí je dosáhnuto díky podobnostem u prvk , které se objevují u nadstavbové technologie pro UMTS HSPA. Tyto prvky jsou [2]: •

Sdílený p enosový kanál. Kanál je asov multiplexován, kdy b hem p id leného time slotu terminál UE využívá celý výkon Node B, který je ur ený pro celou bu ku.

•

Kanálov závislý plánova beroucí v úvahu spravedlnost, délku frontu a m ení stavu kanálu.

•

Zkrácení intervalu pro p enos (TTI) z 20 ms na 1,6 ms.

•

Využitím adaptivní modulace s podporou až 16QAM a kódováním je možné získat maximální možnou p enosovou kapacitu p ipojení dle závislosti na aktuálních podmínkách kanálu, kde UE vysílá žádost o p íslušnou p enosovou rychlost.

•

Využívání principu HARQ (Hybrid ARQ) [2].

1.4.2.1.2 1xEV-DO Rev.A 1xEV-DO Rev.A se p edevším zam uje na zlepšení p enosové rychlosti v odchozím sm ru (uplink), a to až na 1,8 Mb/s. Nepatrn zrychluje p íchozí sm r downlink na 3,1 Mb/s a zavádí nové velikosti paket , 128 b, 256 b, 512 b, a p ináší podporu dat citlivých na zpožd ní. P enosová rychlost u sm ru uplink je dosažena podporou QPSK, 8PSK modulací a hybridním ARQ. Každý paket m že být p enesen v jednom ze dvou mód : LoLat garantuje p enos do požadovaného zpožd ní nebo HiCap, který poskytuje maximální možnou p enosovou rychlost. Prvky objevující se u Rev. A jsou principieln podobné jako u technologie HSUPA [12].

1.4.2.1.3 1xEV-DO Rev.B 1xEV-DO Rev.B dále zvyšuje p enosovou rychlost využitím a seskupením více nosných. Dle toho standardu lze seskupit až 16 nosných o celkové ší ce pásma 20 MHz s teoretickou možnou p enosovou rychlostí 46,5 Mb/s. Realizovateln jší se však jeví ešení se t emi nosnými o celkové p enosové rychlosti 9,3 Mb/s. Tato technologie je zp tn kompatibilní s Rev.A a Rev.0. Díky protokolu ML-RLP (multilink radio link protocol) je Rev.B technicky velmi snadno ešena (ve stanicích Node B jsou n kolikanásobn použity RF karty pro Rev.A). Princip Rev.B je ukázán na Obr. 1.3.

8

Obr. 1.3: Princip technologie 1xEV-DO Rev.B

1.4.2.1.4 1xEV-DO Rev.C Zatím poslední revize, která je v sou asnosti ve vývoji Rev.C, též nazývaná Ultra Mobile Broadband (UMB). Hlavními cíli jsou zvýšit dosahované p enosové rychlosti, zlepšit spektrální ú innost, snížit zpožd ní a soust edit se na data citlivá na zpožd ní. Tato revize využívá OFDM, ale pro p enos dat nízkou rychlostí je zde dostupný i CDMA mód. Tato technologie by m la dosahovat p enosových rychlostí až 260 Mb/s, resp. 70 Mb/s pro 20 MHz ší ku pásma. 1.4.2.2 Architektura CDMA 2000 Architektura CDMA 2000 je velmi podobná architektu e GSM/GPRS a mnoho stavebních prvk je stejných a mají velmi podobnou funkci. V RAN ásti jsou základnové stanice BTS, které ídí aktivity na rádiovém rozhraní (d lení pokryté oblasti na sektory, správa výkonových úrovní), BSC, které ídí mobility ú astník . Celé jádro systému (hlasová ást) je obdobná s GSM. Celá sí se liší v ešení datové ásti. Na odkaze Obr. 1.4 je architektura CDMA 2000. Na rozhraní A9 se nachází prvek PCF (Packet Control Function), který sm ruje pakety mezi MS a PDSN. B hem ustanovených datových relací p id luje dodate n rádiové kanály MS, které o to žádají nebo na základ smlouvy vyžadují, a ukládá pakety do bufferu b hem doby, kdy nejsou dostupné rádiové kanály nebo jejich po et je nedostate ný. Základním prvkem jádra systému datové ásti je PDSN (Packet Data Serving Node). Pokud hledáme odpovídající prvek v síti GSM/GPRS, jedná se o prvky SGSN a GGSN. V CDMA 2000 tvo í bránu do privátních/ve ejných paketových sítí, ukon uje PPP relaci, poskytuje IP adresu mobilnímu ú astníkovi, provádí sm rování do externí paketové sít nebo do prvku HA (Home Agent), seskupuje data pro zpoplatn ní poskytovaných služeb, lokáln autentifikuje uživatele nebo autentifikaci p enechává AAA serveru. Krom toho zastává i funkce FA (Foreign Agent), ke kterému se p ipojují uživatelé - „návšt vníci“- sít pod správou jiné PDSN. AAA server zodpovídá za bezpe nostní prvky sít CDMA 2000. Tento server autentizuje, autorizuje a tarifikuje uživatele, poskytuje uživatelské profily a informace

9

o QoS. HA (Home Agent) poskytuje nep erušovaný roaming dat do ostatních sítí a sm ruje mobilní provoz do p íslušné sít .

Obr. 1.4: Architektura sít CDMA 2000

Jádro podporuje 2 základní konfigurace, Simple IP a Mobile IP. U konfigurace Simple IP je mobilní stanici dynamicky p id lena IP adresa od poskytovatele p ipojení. Uživatel si však m že ponechat tuto IP adresu, pokud se nachází v té p íslušné ásti sít pod správou jedné PSDN, jinými slovy p íslušné ásti sít odpovídá ur itá geografická oblast. Pokud uživatel opustí tuto oblast, nem že již p id lenou IP adresu využívat a PPP relace se ukon í. V síti pod správou nové PSDN je p id lena nová IP adresa a PPP relace je obnovena. U této konfigurace je výrazn omezena mobilita ú astníka. Druhá konfigurace Mobile IP podporuje to, co Simple IP potla uje. Koncové mobilní stanici je p id lena IP adresa po celou dobu jejího pohybu sítí. B hem p echodu z jedné sít pod správou staré PDSN do sít s novou PDSN nedochází k ukon ení ustanovené paketové relace, pouze mobilní stanice naváže nové PPP spojení s novou PDSN [21].

1.5 UMTS 1.5.1 UMTS - FDD Jako p ístupová sí pro standard UMTS (UTRAN, UMTS Terrestrial Radio Access Network) byla zvolena technika W-CDMA. Tato technologie p ináší zvýšení kapacity, pokrytí, širokou škálu služeb v etn rychlého a efektivního paketového p ístupu. Zvýšení kapacity je zp sobeno tím, že W-CDMA využívá koherentní demodulace a pro co neú inn jší ízení vysílacího výkonu se používá technika „fast power control“ s rychlostí instrukcí 1500 povel /s. Jedna z nejd ležit jších charakteristik tohoto p ístupu je, že celkový emitovaný výkon je sdílený mezi uživatele ve sm ru downlink a v opa ném sm ru Node B akceptuje ur itou maximální možnou hladinu celkového p ijímaného výkonu. Tím W-CDMA p ináší s sebou ší ku pásma na p ání BoD (Bandwidth on Demand), p i které 10

nemusí být realokovány rádiové zdroje, pouze Node B upraví výkon. Jednotliví uživatelé i služby jsou odlišeny ortogonálními rozprostíracími a skramblovacími kódy. A co více, jak to obecn platí pro p ístupovou techniku CDMA, odpadají „starosti“ s kmito tovým plánováním. W-CDMA nevyžaduje tak striktní asovou synchronizaci mezi jednotlivými základnovými stanicemi Node B, jako tomu je u úzkopásmových technik CDMA.

1.5.2 Charakteristika fyzické vrstvy W-CDMA UTRA v módu FDD pracuje se základní chipovou rychlostí 3,84 Mc/s, které p ísluší ší ka pásma 5 MHz, základní délka rámce je 10 ms. Mezi jednotlivými nosnými je flexibilní mezera 4,2 – 5 MHz použitá v závislosti na interferenci mezi jednotlivými kanály. Rádiová p ístupová sí UTRAN rozlišuje t i úrovn p enosových kanál 1: •

Logické, jsou ustanoveny mezi UE a RNC a obstarávají p enos mezi vrstvou MAC a RLC,

•

transportní, p enáší logické kanály mezi MAC a fyzickou vrstvou,

•

fyzické, uskute uje samotný p enos informace mezi UE a Node B.

Fyzické kanály jsou jednosm rné, spole né tj.ur ené pro všechny UE v bu ce (common, c), tak i vyhrazené (dedicated, d), které jsou ur eny pro konkrétní UE. 1.5.2.1 Fyzické kanály

1.5.2.1.1 Vyhrazené kanály (Dedicated Channels) Data p icházejí v transportních blocích, jejichž délka je závislá na typu služby a typu kanálu. Datové bloky p icházejí v ur ité asové okamžiky. Perioda se nazývá p enosový asový interval TTI (Transmission Time Interval), který je op t závislý na typu kanálu a typu služby. Velikost rámce odpovídá jednomu cyklu, kdy dochází ke kontrole výkonu. Velikost rámce je 10 ms rozd lených do 15 slot o délce 0,625 ms. Každý slot rámce ve sm ru download se skládá z ídících informací a dat, které mají prom nou velikost až do hodnoty 1280 bit . Mezi ídící informace pat í Transmission Power Control (TPC), který slouží pro ízení výkonu pomocí uzav ené ídící smy ky vysílacího výkonu, Transport Format Indicator (TFI), které informují o po tu a velikosti blok , a pilot [4]. V opa ném sm ru (uplink) je velikost rámce i délka rámce stejná. Jsou p enášeny ídící informace a data jako u sm ru downlink. Zásadní rozdíl je, že tato data jsou p enášena ve dvou vyhrazených (d) kanálech, a to DPCCH (uplink Dedicated Physical Control Channel) 1

c = common, d = dedicated, f = sm r downlink, r = sm r uplink, b = obousm rný

11

pro p enos ídících dat, a DPDCH (uplink Dedicated Physical Data Channel) pro p enos uživatelských dat. Oba fyzické kanály jsou p enášeny spole n .

1.5.2.1.2 Spole né kanály (Common channels) Aby mohl být p enášen BCH transportní kanál, na kterém jsou p enášeny všechny systémové informace o bu ce, musí být též definovány i spole né kanály (common channels). Spole né kanály jsou pevn definované (fixní délka) a nep enášejí TPC a TFI. Primární spole ný ídící kanál (primary common control physical channels) je vysílán na p edem ur eném OVSF kódu a je první kanál, ke kterému má p ístup UE. Je p enášen s p enosovou rychlostí 30 kb/s s rozprostíracím faktorem 256. Sekundární ve ejný kanál (secondary common control physical channel) má sv j jedine ný OVSF kód v rámci bu ky a informace o tomto kanálu jsou p enášeny na BCH transportním kanále. Slouží k p enosu FACH a PCH. 1.5.2.2 Transportní kanály (Transport Channels) Mezi základní transportní kanály pat í: Broadcast channel (BCH, c). Na tomto kanále je p enášen logický BCCH kanál, kde jsou uvedeny všechny pot ebné systémové informace o aktuální bu ce i sousedech. Forward access channel (FACH, c). Kanál ve sm ru downlink, který je odpov dí na RACH. Paging channel (PCH, c). PCCH logický kanál je p enášen pomocí PCH a jsou v n m p enášeny informace pro paging, když CN pot ebuje zjistit p esnou pozici UE. Random access channel (RACH, r, c). Kanál ve sm ru uplink, p es který mobilní terminál inicializuje p ístup k síti. Dedicated channel (DCH, d). Kanál nesoucí uživatelská data v obou sm rech. Pokud je ustanoven DCH kanál ve sm ru downlink, musí být k n mu ustanovený CPCH (common packet channel) kanál. Je to povinný kanál. 1.5.2.3 Logické kanály Mezi nejd ležit jší logické kanály pat í: Broadcast control channel (BCCH, f, c). P enáší ídicí informace o bu ce. Paging control channel (PCCH, f, c). Obsahuje informace pro paging. Dedicated control channel (DCCH, b, d). Využívá se pro inicializaci UE do sít k p enosu informací. Common control channel (CCCH, b, c). P ed p id lení DCCH kanálu UE využívá CCCH pro vým nu informací.

12

Common traffic channel (CTCH, f, r, d). Kanál pro p enos uživatelských dat mezi sítí a Node B. 1.5.2.4 Downlink Použitá datová modulace je QPSK, kdy data jsou jednoho OVSF kódu, ímž datový tok získá chipovou skramblována za použití pseudonáhodného kódu o délce Jak bylo zmín no výše, pro paralelní spojení je využito (Orthogonal Variable Spreading Factor, Walshovy kódy).

rozprost ena ve spektru p i využití rychlost, a po té jsou komplexn 10 ms, u které se rychlost nem ní. více kanálových kód typu OVSF

Pomocí OVSF kód dochází k rozlišení jednotlivých spojení všech uživatel , PN kód rozlišuje p íslušné Node B. 1.5.2.5 Uplink Ve sm ru uplink je op t použita modulace QPSK, ale jelikož rámec ve sm ru uplink je definován dv ma fyzickými kanály, je každý kanál rozprost en za použití rozdílného kanálového kódu. Poté dojde k namultiplexování t chto kanál a ke skramblování za použití PN kód stejné délky 10 ms jako u sm ru download. Fyzické kanály jsou rozlišeny pomocí OVSF v rámci jednoho UE a PN rozlišují jednotlivé UE. Podrobn jší informace jsou uvedeny v publikacích [1], [3] a [21].

1.5.3 UMTS-TDD 1.5.3.1 TDD Technologie ITU-TC definuje UMTS TDD [3], pro kterou byla zvolena p ístupová metoda TD-CDMA. Jak vyplývá z názvu, p íchozí a odchozí datový tok není odd len frekven n , ale asov . Z toho vyplývá, že spektrum je nepárové. UMTS-TDD není tak rozší ená a najdeme tuto technologii v komer ním využití vzácn . TDD systém s sebou p ináší ur ité výhody a nevýhody. Mezi problémy, které TDD s sebou p ináší, je interference dop edného a zp tného sm ru, který op t vychází ze spole ného spektra obou sm r . ešením je synchronizace Node B na úrovni rámc [3]. Jedna z nejv tších výhod UMTS-TDD je však podpora asymetrického datového toku, kdy operátor m že ovlivnit kapacitu jednotlivých sm r . P i p ipojení k Internetu je zvýhodn n p íchozí sm r. 1.5.3.2 Rozdíly TDD a FDD Prvním rozdílem je odlišná fyzická vrstva L1. Je implementováno kódové rozlišení ú astník v TDMA systému, chipová rychlost obou systém je stejná 3,84 Mc/s, ale TDD definuje i chipovou rychlost 1,28 Mc/s. Další rozdíly jsou uvedeny v Tab. 1.2.

13

Tab. 1.2: Odlišnosti v jednotlivých modech TDD, a rozdíl mezi TDD a FDD

Chipová rychlost Duplex Ší ka pásma asový slot Délka rámce modulace p id lování kanál využívání burst

UTRA TDD UTRA FDD 3,84 Mc/s 1,28 Mc/s 3,84 Mc/s TDD TDD FDD 5MHz 1,66MHz 5MHz 15 slot 14 slot 15 slot 10ms 10ms 10ms QPSK/8PSK QPSK DCA2 DCA ano ano ne

Rámec má stejnou délku jako u FDD, tj. 10ms, je rozd len do 15 asových slot , každý o délce 666µs. Každý asový slot je p id len pro downlink nebo uplink. Ve dvou asových slotech na pozicích asového slotu k a k+8 ve sm ru downlink je namapován synchroniza ní kanál (PSCH) a b hem p epínání sm ru p enosu je vykonávána uzav ená smy ka ízení výkonu (closed loop power control). V p íslušném asovém slotu jsou vysílány 3 sekundární a jedna primární synchroniza ní sekvence, která je stejn vytvá ena jako u FDD. P i použití jednoho kódu s rozprostíracím faktorem 16 a p i azení jednoho asového slotu je uživatelská p enosová rychlost 13,8 kb/s. P i použití 16 kód a 13 asových slot dosahujeme p enosové rychlosti 2,87 Mb/s, dva zbývající sloty jsou ur eny pro PSCH. Mezi další rozdíly pat í p edávané zprávy na rozhraních Iub a Iur, které jsou stejné, ale jsou odlišné obsahov . TDD nevyužívá soft handover, podporuje jak handover v rámci systému TDD (intra system HO), tak v rámci ostatních standard jako FDD i GSM (inter system HO). Zásadním rozdílem je p id lování rádiových zdroj , kde se využívají odlišná m ení, a p id lování rádiových zdroj se d je podle algoritmu dynamického p id lování ízeného RNC.

1.6 TECHNOLOGIE HSDPA A HSUPA (HSPA) HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) a HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) p ináší nové prvky do základního systému UMTS. Tyto prvky jsou definované ve specifikacích Release 5 a 6. Aplikací t chto prvk se mnohonásobn zvýší kapacita systému. Teoretické p enosové rychlosti dosahují až 14,4 Mb/s pro downlink a 5,7 Mb/s pro uplink a p edevším dochází ke snížení zpožd ní systému, což umožní lépe provozovat službu VoIP s mnohem lepšími kvalitativními parametry, kdy kvalita p eneseného hlasu se p ibližuje kvalit hlasu v okruhov spojované síti.

2

DCA = Dynamic Channel Allocation, jedna z metod p i azování kanál mobilní stanici

14

1.6.1 HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) Tento systém s sebou p ináší výrazné zlepšení p enosových rychlostí a zpožd ní ve sm ru downlink, které je docíleno t mito prvky. Plánováním provozu na základ aktuálních podmínek na kanále (scheduling), které umož uje rozd lit rádiové zdroje co nejefektivn ji, tzn. snížit množství rádiových zdroj p id lených jednomu uživateli na nezbytné minimum a tím zvýšit po et ú astník na maximum a stále dodržet vyžadované QoS. S plánováním provozu úzce souvisí nastavení takových parametr spojení, aby co nejlépe odráželo kolísání kvality rádiového spojení (fast link adaptation). Ob techniky dopl uje mechanismus HARQ (Hybrid ARQ), který umož uje rychlé opakování chybn p enesených paket . 1.6.1.1 P izp sobení spojení (link adaptation) V originálních systémech UMTS a CDMA (Release 99) se využívá dynamické regulace výkonu Node B (fast power control), která kompenzuje odchylky v kanálových podmínkách. Cílem je udržet konstantní parametr Eb/No tak, že p i dobrých rádiových podmínkách Node B nevysílá tak vysokým výkonem než by tomu bylo u špatného rádiového spojení. Výsledkem je spojení s konstantní p enosovou rychlostí a s nízkou bitovou chybovostí. S HSDPA p ichází jiný mechanismus p izp sobení spojení. Jeho základní myšlenkou je, že výhodn jší je poskytovat maximální možnou p enosovou rychlost než rychlost konstantní. Tato zm na nep sobí negativn na služby jako je hlas a video, protože z delšího asového hlediska p enosová rychlost konstantní je [13]. Proto se zm nám rádiového spojení nep izp sobuje výkon (power control), ale p enosová rychlost (rate control). To zp sobuje i mnohem efektivn jší využití vyzá eného výkonu, kdy Node B vysílá na plný výkon. U HSDPA je rate control implementován pomocí dynamické úpravy po tu p id lených OVSF kód a výb ru modulace mezi QPSK a 16QAM. 1.6.1.2 Plánování rádiových zdroj (scheduling) Na mechanismus Link Adaptation velmi úzce navazuje správa rádiových zdroj , která ídí sdílení rádiových zdroj mezi uživatele a která využívá výhod rychlých únik . Správa rádiových zdroj je odlišná v závislosti na sm ru (downlink & uplink), protože vzájemná ortogonalita jednotlivých sm r je r zná. Sm r downlink je charakteristický neexistencí interference mezi jednotlivými p enosy (jsou vzájemn ortogonální). Toho je u HSDPA dosaženo asovým (TDM) a kódovým multiplexem (CDM). Krom rádiových zdroj bychom m li uvažovat p i paralelních p enosech i sdílení p íslušného výkonu. U HSDPA však dochází k multiplexu v asové oblasti, proto p íslušný výkon, rádiové zdroje a OVSF kódy ur ené pro celou bu ku jsou p i azeny na ur itý okamžik (TTI, Transmission Time Interval) jedinému uživateli. Existují t i základní strategie, které ur ují, komu budou všechny rádiové zdroje p i azeny:

15

•

Max C/I. Rádiové zdroje jsou p id leny uživateli s nejlepším parametrem C/I. Z hlediska systémové kapacity je velmi efektivní, ovšem díky rozdílu ve vzdálenostech a jevu shadow fading mezi Node B a UE m že docházet k monopolizaci rádiových zdroj . Z hlediska QoS je to absolutn nevyhovující.

•

Round Robin. Tato strategie neodráží aktuální podmínky na rádiovém kanále mezi za ízeními UE a Node B. Každému UE jsou p i azeny rádiové zdroje po ur itý stejný asový okamžik. Je spravedlivé z hlediska p id lení rádiových zdroj , není však spravedlivé z hlediska poskytování stejné kvality služeb pro jednotlivá UE.

•

Proportional-fair. Tato strategie je kombinací p edešlých výše zmín ných strategií. Rádiové zdroje jsou p id leny tomu uživateli, který má nejlepší relativní rádiové podmínky. Parametr C/I je vztažen k pr m rnému C/Iave, který je vypo ítán za ur itou dobu Tpf.

Specifikace HSDPA definuje, že plánování je p emíst no z RNC do Node B, což zkrátí zpožd ní systému. Z výše uvedených strategií p ináší podle [2] nejlepší výkon pro HSPA poslední výše zmín ná strategie Proportional-fair. Tato strategie dává koncovým uživatel m stejnou pravd podobnost, že jim budou p id leny rádiové zdroje i p es rozdílné rádiové podmínky. Aktuální rádiové podmínky uvedené v CQI (Channel-Quality Indicator [12], vyjad uje doporu enou velikost p enášeného bloku) nejsou samoz ejm jediným initelem, na základ kterého se plánova rozhoduje, zda p id lí rádiové zdroje. Krom toho plánova bere v úvahu velikost zapln ní bufferu a prioritu p enosu jednotlivých UE. Sm r uplink je charakteristický p edevším tím, že výkon je distribuován mezi uživatele a jeho úrove je mnohem menší než u Node B. Charakteristika p ipojení ve sm ru uplink není ortogonální a pomocí regulace výkonu jednotlivých UE je ovliv ována interference mezi jednotlivými stanicemi tak, aby na stran Node B byl pom r SIR p ijímaného signálu konstantní. U HSDPA se u sm ru uplink využívá velmi podobných technik jako u základní specifikace Release 99. Zlepšení výkonu v tomto sm ru p ichází až s Release 6 (HSUPA). 1.6.1.3 Hybrid ARQ with soft combining V systémech WCDMA je využito kombinovaného protichybového systému FEC (Forward Error Correction) s ARQ (Automatic Repeat reQuest) souhrnn nazývané HARQ (Hybrid ARQ). Další vylepšení, které je u HSDPA využito, p ináší tzv. soft combining, která ukládá chybn p enesená data do pam ti a kombinuje je s opakovanými p enosy p ed provedením dekódováním. Toto vylepšení je dále d leno na chase combining a incremental

16

redundancy (IR). Chase combining v každém opakovaném p enosu posílá stále stejná kódovaná data, která jsou slu ována s p vodním p enosem. Nedochází ke zm n zisku kódování R. U IR opakované p enosy nejsou stejné a v každém následujícím p enosu dochází ke zvýšení redundance, tedy úrovn zabezpe ení. U HSDPA se využívají oba dva. Chase combining se využívá u nízkých p enosových rychlostí, zatímco pro dosažení maximální možné p enosové rychlosti 14,4 Mb/s se používá IR. To, jakého HARQ strategie se využije, též závisí na t íd mobilního za ízení UE. Tab. 1.3: Definované t ídy HSDPA a jim odpovídající typ HARQ a dosažené p enosové rychlosti T ída typ HARQ Rychlost [Mb/s] T ída typ HARQ Rychlost [Mb/s] 1 chase 1,2 6 IR 3,6 2 IR 1,2 7 chase 7,2 3 chase 1,8 8 IR 7,2 4 IR 1,8 9 chase 10,2 5 chase 3,6 10 IR 14,4

U HSDPA dochází oproti specifikaci Release 99 k p esunu správy spojení (stejn tak plánování) do Node B, který se stará o opakované p enosy. Tato zm na zp sobí mnohem rychlejší opakované p enosy, které op t sníží celkové zpožd ní. V protokolové architektu e jsou tyto prvky pod správou vrstvy MAC-hs (více o MAC-hs v [12]). Na Obr. 1.5 je zobrazený rozdíl v umíst ní základních funkcí u Release 99 a HSDPA. Kladná a záporná potvrzení, která odráží skute nost, zda byl paket p enesen bezchybn i ne, jsou p enášena po nov definovaném fyzickém kanále HS-DPCCH (uplink High-Speed Dedicated Physical Control Channel). Krom této informace p enáší v druhé ásti informace o aktuální kvalit rádiového spojení (CQI), které využívá plánova pro efektivní plánování rádiových zdroj .

Obr. 1.5: Rozdíl v umíst ní klí ových funkcí u Release 99 a HSDPA

17

1.6.1.4

asový interval pro p enos

asový interval pro p enos (TTI, Transmission Time Interval) byl u HSDPA výrazn snížen z 10, 20, 40, 80 ms definovaných u Release 99 na 2 ms. V praxi to znamená, že fyzický kanál HS-DSCH, po kterém jsou p enášena data a který má fixní SF 16, má velikost 2 ms a rádiové zdroje jsou p id leny stanicím UE plánova em na dobu 2 ms. Zkrácením tohoto intervalu je dosaženo kratšího obousm rného zpožd ní. Tato zm na a všechny výše zmín né techniky zvýšily dostupné p enosové rychlosti, ale p inesly také celkové snížení RTT (round-trip time). Ve specifikaci Release 99 (UMTS) se celkové zpožd ní pohybuje mezi 100 až 200 ms, se zavedením HSDPA od specifikace Release 5 se zpožd ní pohybuje okolo 70 ms a s HSUPA je RTT pod 50 ms. Teoretické endto-end zpožd ní je ukázáno na Obr. 1.6. P i p edpokládaném end-to-end zpožd ní, které iní 26,6 ms, se po ítá s: 1 ms, kdy stanice UE eká na p id lení rádiových zdroj , 2 ms je doba trvání p enosu, 6 ms je p enos p es sí HSPA (Node B, RNC, jádro a Node B), 1 ms je doba ekání na p id lení rádiových zdroj , 1,3 ms je p enos kanálu HS-SCCH ur eného pro downlink, kde jsou obsaženy informace o modulaci kanálu HS-DSCH, a 2 ms, b hem kterých probíhá p enos ve sm ru downlink. K celkovému zpožd ní dále p ipívá i zpracování paket v terminálech.

Obr. 1.6: Teoretická hodnota obousm rného zpožd ní u systému HSPA

1.6.2 HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) Hlavním cílem této technologie, která je definována v Release 6, je p inést výhody HSDPA do opa ného sm ru, pro uplink, a tím zvýšit p enosové rychlosti až na 5,7 Mb/s a výrazn snížit zpožd ní na hodnotu 26,6 ms uvedenou v kapitole 1.6.1.4 asový interval pro p enos. Zvýšení p enosové rychlosti a snížení celkového zpožd ní je u této technologie dosaženo p emíst ním funkce plánování do Node B, zavedením HARQ se soft combining a snížením TTI na 2 ms. Na druhou stranu si technologie HSUPA ponechává n které vlastnosti z Release 99. P ehled a porovnání jednotlivých vlastností u WCDMA, HSDPA a HSUPA je zobrazen v Tab. 1.4.

18

Tab. 1.4: Porovnání základních princip v jednotlivých systémech vlastnost WCDMA prom nný SF ano SF 4 až 256 (u) 512(d) rychlé ízení výkonu ano adaptivní modulace ne BPSK HARQ s IR ne soft handover ano plánování v BTS ne RNC TTI [ms] 10, 20, 40 (u),10, 20,40, 80 (d)

HSUPA HSDPA ano SF 2 a 4 ne SF 16 ano ne rate control ne BPSK ano QPSK a 16QAM ano ano ano ne ano BTS ano BTS 2 a 10 2

Výše zmín né principy se odráží p idáním nových funk ních entit v protokolové architektu e MAC-e a MAC-es. MAC-es/e je p idána do Node B, MAC-e je nová entita pro Node B. Ty se starají o výše zmín né funkce (HARQ a plánování). Je tu však zásadní odlišnost od HSDPA, která je uvedená v Tab. 1.4, a to podpora soft handover. Protože pakety jsou p enášeny p es více Node B, nová vrstva MAC-e v RNC má za úkol p e adit pakety, které p ichází mimo po adí od r zných Node B [13]. Transmission Time Interval (TTI) Jak m žeme vid t v Tab. 1.4, p enosový asový interval má dv hodnoty, 2 ms a 10 ms. TTI 2 ms výrazn zkrátí celkové obousm rné zpožd ní, ale je definován i TTI 10 ms. Tento interval je p i azován terminál m UE pohybujících se na okraji bu ky z d vodu velmi vysokého pom ru signalizace v i užite ným dat m. Prom nný spreading factor SF V Release 99 byly v praxi (standardizace umož uje i více) využity vždy pro sm r uplink dva OVSF kód. Pro dosažení výše uvedené p enosové rychlosti je pot eba mít p íslušný terminál odpovídající t ídy. Terminál by se nem l pohybovat po okrajích bu ky, aby TTI byl 2 ms. Posledním principem ovliv ující p enosovou rychlost je prom nný spreading factor. U HSUPA se využívá SF=2 a 4 a jejich paralelní použití. Node B p id lí terminálu UE jeden fyzický kanál E-DPDCH (Enhanced Dedicated Physical Data Channel)3 a k n mu p íslušný OVSF kód s SF=4, který má ur itou p enosovou kapacitu. Pokud UE si zažádá o zvýšení p enosové rychlosti a Node B potvrdí tuto žádost, Node B p id lí další E-DPDCH kanál se stejným SF. Node B m že za ur itých podmínek (hladina interference, kapacita, rádiové podmínky) zažádat o další E-DPDCH. Node B postupn m že dále p id lit dva kanály s SF=2 až dosáhne nejvyšší p enosové rychlosti, kdy jsou využity dva kódy s SF=2 a 2 kódy s SF=4. Tabulka Tab. 1.5 udává jednotlivé HSUPA t ídy terminál a jejich odpovídající p enosové rychlosti. Hybrid ARQ s metodou soft combining HARQ je použito pro zvýšení odolností stejn jako u HSDPA a princip je velmi podobný jako u HSDPA. Jediným rozdílem je podpora soft handover. Odeslaná data jsou 3

E-DPDCH spolu se signaliza ním kanálem E-DPCCH tvo í transportní kanál E-DCH, základ HSUPA

19

p ijata n kolika Node B a n která z nich mohou být poškozená. Pro terminál UE je dosta ující, aby p ijal ACK od jediné Node B. Potvrzení jsou p enášená p es nový fyzický kanál E-HICH (Enhanced Hybrid ARQ Indicator Channel). Tento kanál je vyhrazený pro každý terminál UE a jeden terminál UE má sestavený tolik kanál E-HICH, kolika odpovídá bu kám zú ast ujících se na soft handover. Tab. 1.5: Definované t ídy HSUPA a jim odpovídající po et E-DPDCH, SF a dosažené p enosové rychlosti T ída

TTI [ms]

po et E-DPDCH

SF

1 2 3 4 5 6

10 10/2 10 10/2 10 10/2

1 2 2 2 2 4

4 4 4 2 2 2a4

Rychlost s 10 ms [Mb/s] 0,72 1,45 1,45 2 2 2

Rychlost s 2 ms [Mb/s] 1,45 2,91 5,76

1.6.2.1 Plánování (scheduling) P i plánování HSUPA se musí vzít v úvahu základní rozdíly oproti HSDPA: •

Terminály UE jsou ízeny mechanismem fast power control, což znamená, že n které terminály vysílají s vysokým výkonem a n které s nízkým. Jejich vysílací výkon je stále upravován na základ pot eb (p enosová rychlost) stanice.

•

Rádiové zdroje jsou p id leny více terminál m UE najednou, protože jedna jediná UE nedokáže sama využít kapacitu bu ky.

•

Jednotlivé p enosy, které nejsou ortogonální, se však ostatním terminál m jeví jako šum, z tohoto d vod plánova p id luje rádiové zdroje jen do ur ité hladiny interference a interference se stává sdíleným zdrojem pro sm r uplink.

Stejn jako u HSDPA je plánování p esunuto do Node B, což umožní zkrátit celkové zpožd ní systému. Node B m í aktuální hladinu interference na vstupu p ijíma e, podle které se rozhoduje, zda m že p id lit rádiové zdroje (granty) pro zvýšení p enosové rychlosti i snížit hladinu vysílacího výkonu UE, ímž sníží p enosovou rychlost. Krom vnit ní interference musí být ješt kontrolována interference mezi bu kami. Pokud dojde k p ekro ení mezibu kové interference, Node B disponují nástrojem overload indicator, který p ikazuje UE snížit vysílací výkon a tím snížit p enosovou rychlost. Poté analyzuje jednotlivé kanály E-DPCCH, ve kterých je uvedený stav (1bit), zda UE požaduje zvýšení p enosové rychlosti i ne, a m ení provád na terminály UE tj. obsazenost pam ti terminálu UE a úrove aktuálního výkonu. Krom jednotlivých žádostí terminál UE Node B musí posuzovat uživatelskou prioritu, kterou RNC zasílá Node B. Na základ t chto informací jsou pomocí fyzických kanál E-RGCH (Enhanced-DCH Relative Grant Channel) a E-AGCH (EnhancedDCH Absolute Grant Channel) p id leny a aktualizovány granty, které ur ují, jakým maximálním výkonem m že daný terminál UE vysílat svá data (Obr. 1.7) [13]. 20

Terminál m jsou v kanále E-AGCH p id leny absolutní hodnoty vysílacího výkonu, což se používá pro skokové zm ny výkonu a který ur í maximální možný výkon. Na vyhrazeném kanále E-RGCH (pro každý UE zvláš ) jsou posílány relativní zm ny (zvýšení, snížení a setrvání) výkonu aktuálního grantu. Na základ t chto grant si UE upravuje úrove výkonu. Výše zmín ný overload indicator je též relativní grant vysílaný pouze z neobsluhující Node B v rámci soft handover, který pouze snižuje aktuální granty, aby snížil mezibu kovou interferenci. Výše zmín ný kanál E-AGCH má pro efektivn jší plánování dv r zné identity. Primární identita je unikátní pro každou UE, zatímco sekundová identita je identitou skupinovou, kterou se ídí všechny terminály pat ící do té pat i né skupiny. Spole né plánování je identifikováno sekundární identitou E-AGCH a využívá se v p ípadech, kdy kapacita bu ky není vytížená a neklade se d raz na interferenci, ale na dosažení co nejnižšího zpožd ní. V opa ném p ípad p i vysokém objemu p enášených dat plánova využije primární identitu a provádí individuální plánování terminál UE, aby byla maximáln využita kapacita bu ky. Tento p ístup se využívá se strategií greedy filling. Stejn jako u sm ru downlink i u opa ného sm ru jsou využívány stejné strategie u plánování rádiových zdroj [13]. Navíc je tu p idána strategie greedy filling, která postupn vybírá stanice s nejlepšími podmínkami pro p enos do té doby, než je dosažena maximální p ípustná hladina interference. Nevýhodou je, že p enosová rychlost je u t chto stanic diametráln rozdílná.

21

Obr. 1.7: Základní princip vylepšení aplikovaných v HSUPA

Krom plánovaných (scheduled) p enos se u HSUPA vyskytují nenaplánované (nonscheduled) p enosy. T mto p enos m nejvíce odpovídají služby s malou p enosovou rychlostí, s velkou citlivostí na zpožd ní a jitter, nap . VoIP. P enos m jsou ud leny permanentní granty výhradn od RNC a Node B nem že tento grant jakkoliv ovliv ovat.

1.7 WIMAX 1.7.1 Charakteristika WIMAX Mezi další bun né systémy pat í MAN technologie WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). V za átcích byl WiMAX koncipován jako širokopásmové bezdrátové spojení dvou viditelných statických míst v pásmu 10 GHz až 66 GHz, ovšem p es standard 802.16-2004 referovaný jako fixní WiMAX se tato technologie dostala až ke své mobilní verzi ve standardu 802.16-2005. WiMAX se adí mezi systémy 3G a Wi-Fi a je b žn využíván pro širokopásmový bezdrátový p ístup, kdy ší ka pásma je velmi

22

r znorodá pohybující se od 1,25 MHz až po 20 MHz. WiMAX m že nabídnout p enosovou rychlost až 46 Mb/s ve sm ru downlink a 7 Mb/s pro uplink. V dohledné dob se o ekává dokon ení specifikace 802.16m, která p inese p enosové rychlosti 100 Mb/s pro mobilní WiMAX a 1 GB/s pro fixní WiMAX4. Mezi nejd ležit jší WiMAX prvky pat í velmi vysoké dosahované p enosové rychlosti, škálovatelnost ší ky pásma, adaptivní modulace a kódování v závislosti na aktuelních rádiových podmínkách, podpora ARQ na linkové vrstv , preferované využívání asového duplexu pro odd lení sm r , formování paprsk tzv. beamforming, které vytvá í mapu signál mezi p ijíma em a vysíla em podle kritérií síla signálu, fáze a úhel a podle které jsou data vysílána v jednotlivých sm rech tak, aby k p ijíma i p išly ve stejnou dobu a ve fázi. Výkon WiMAX s podporou beamforming spolu s MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) dosahuje tém ty násobn v tší výkonnosti než u standardu 802.16. Mezi další klí ové prvky pat í silné šifrování AES a IP orientovaná architektura [19]. Nejd ležit jší ástí návrhu systému WiMAX je podpora QoS. Silná podpora QoS je dosažena spojov orientovanou MAC architekturou, kde všechna downlink a uplink spojení jsou spravována serving BTS. Spojov orientovaná MAC architektura je realizována vytvo ením MAC-to-MAC jednosm rným logickým spojením mezi MS a BTS, které je identifikováno CID (Connection Identifier) identifikátorem. Krom spojov orientované architektury WiMAX podporuje jednosm rný datový tok charakterizovaný QoS parametry a identifikátorem SFID (Service of Flow Identifier) [19]. Tab. 1.6: Tabulka porovnávající sou asné mobilní technologie technologie standard p enosová rychlost ší ka pásma

modulace multiplexing duplexing frekvence pokrytí mobilita

down up

WiMAX fixní IEEE 802.162004 9,4 Mb/s 3,3 Mb/s 3,5 a 7 MHz v 3,5 GHz,10 MHz v 5,8 GHz

WiMAX mobilní

HSPA

1xEV-DO Rev A

IEEE 802.16e-2005

3GPP Release 6

3GGP2

46 Mb/s

14,4 Mb/s

3,1 Mb/s

7 Mb/s

5,8 Mb/s

1,8 Mb/s

3,5 MHz, 7 MHz, 5 MHz a 10 MHz

5 MHz

1,25 MHz

QPSK, 16QAM a 64QAM TDM TDD a FDD 3,5 GHz a 5,8 GHz 5 – 8 km, až 50 km žádný

QPSK a 16QAM

TDM a OFDMA TDM/CDMA TDD FDD 2,3 GHz, 2,5 GHz a 800/900/1800 MHz 3,5 GHz 1,9 a 2,1 GHz

QPSK, 8PSK, 16QAM TDM/CDMA FDD 800/900/1800 a 1900 MHz

do 3,5 km

1,5 až 4km

1,5 až 4 km

st ední

vysoká

vysoká

MAC vrstva základové stanice podporuje 5 typ t íd pro plánování [15], [19].

4

Zdroj: ing. Rita Pužmanová, CSc.,MBA P ipravované zrychlení WiMAX:IEEE 802.16m a wikipedia.org

23

•

UGS (Unsolicited Grant Service). T ída ur ená pro pakety fixní délky a s CBR, ze služeb se jedná o VoIP bez podpory potla ení ticha a emulace T1/E1.

•

rtPS (real-time Polling Services). T ída ur ená pro streamování MPEG videa, která je charakteristická prom nlivou délkou paket p icházejícími v pravidelných intervalech.

•

nrtPS (non-real-time Polling Service). T ída je ur ená pro pakety r zné délky, které nejsou citlivé na zpožd ní vyžadující minimální garantovanou rychlost. Ze služeb to odpovídá popisu FTP.

•

BE (best-effort). T ída je vyhovující pro datové toky vyžadující velmi nízké požadavky na p enos, jedná se p edevším o surfování.

•

ERT-VR (extended real-time variable rate). Tato služba je rozší ením první definované t ídy a je ur ena pro pakety s variabilní délkou vyžadující ur itou hladinu datové propustnosti a zpožd ní. Jedná se p edevším o real-time aplikace jako je VoIP s podporou potla ení ticha.

WiMAX poskytuje dostate nou p enosovou rychlost pro provozováni VoIP, VoIP pakety jsou díky t ídám ERT-VR a UGS priorizovány, ovšem otázka zní, jakého zpožd ní dosahuje rádiové zpožd ní u technologie WiMAX, protože víme, že hlavním zdrojem zpožd ní u mobilních p ipojení je rádiové rozhraní. Podle [15] je zpožd ní na rádiovém rozhraní 5 ms. Hlavním faktorem zpožd ní je transport paket p es IP prost edí (Obr. 1.8).

Obr. 1.8: Zpožd ní na rádiovém rozhraní je oproti p enosu mezi WiMAX BS zanedbatelné

1.7.2 WiMAX v

R, kvalitativní parametry

Podle pr zkumu5 je ke konci roku 2007 1,65 milion uživatel WiMAX, z toho na R zatím p ipadá 3500 koncových za ízení (v sou asnosti odhadem 6000 uživatel ). WiMAX je provozován v R v licencovaném pásmu na frekvenci 3,5 GHz a pouze v lokálním m ítku, kdy jsou pokryta jenom okresní m sta. I když technologie, kterou WiMAX nabízí, by se m la

5

WiMAX, LTE and Broadband Wireless Worldwide Market Trends 2008-2014, Marevedis, 2008

24

t šit velkému zájmu, problém tkví v TÚ. TÚ vyhradilo pásmo 3,5 GHz, pouze fixní WiMAX s ší kou pásma 7 MHz a za použití mén výhodného FDD duplexu. Nepoda ilo se zap j it koncové za ízení na zm ení kvalitativních parametr , proto se tato práce odkazuje na m ení VUT a univerzity v Osnabrücku. V pásmu 3,5 MHz byla nam ená stabilní hodnota kolem 8 Mb/s. Tato hodnota byla stabilní až do vzdálenosti 10 km od BS, p i následném vzdalování (již v laboratorních podmínkách) docházelo ke snížení p enosové rychlosti. Na 20 km se propustnost snížila na 6,5 Mb/s, resp. 5,5 Mb/s pro upload. P ipojení bylo stabilní až do vzdálenosti 53 km s p ipojením 128 kb/s. Odezva testovaného systému se pohybovala kolem 15 ms ([16], [17]). V p edchozím odstavci byly zm eny n které parametry u fixního WiMAX uvedené v [16], [17]. V [18] byly prom eny parametry mobilního WiMAX p i ší ce pásma 5 MHz bez využití ARQ, p i vzdálenosti od BS do 457 m, v m stské zástavb a p i pohybu do 5 km/h. Na základ provedených m ení se zpožd ní pohybovalo okolo 45 ms ± 25 ms se ztrátovostí paket 1,35%. Druhé m ení [18] op t testovalo mobilní WiMAX p i rychlosti 30 km/h ve vzdálenosti až 500 m od BS. P i dobrých podmínkách je pr m rné zpožd ní 34 ms se ztrátovostí 5,79%, ovšem na celé m ené trase (testovaná trase dle[18]) se zpožd ní pr m rn pohybuje okolo 116 ms se ztrátovostí 10,7%.

25

2 M ENÍ KVALITATIVNÍCH PARAMETR V MOBILNÍCH SÍTÍCH OPERÁTOR V R 2.1 M

ENÍ KVALITATIVNÍCH PARAMETR

SÍT 3G – T-MOBILE

2.1.1 Základní informace Bylo provád no m ení kvalitativních parametr sít 3.generace, kterou nabízí T-Mobile Czech Republic, a.s (dále jen „T-Mobile“). T-Mobile usp l p i licen ním ízení a získal licenci na poskytování služeb 3G za necelé 4 miliardy K , ale nakonec na základ zm ny v licen ních podmínkách vybudoval sí s využitím p ístupové technologie UMTS TDD s omezením pouze na data. Z marketingového hlediska T-Mobile ozna uje služby poskytované v této síti jako Internet 4G (je to pouze firemní ozna ení). Na svých internetových stránkách proklamují rychlost až 2,2 Mb/s ve sm ru downlink a uplink až 1,1 Mb/s, dle závislosti na pokrytí a podmínkách v míst p ístupu. T-Mobile provozuje tuto sí ve dvou nepárových pásmech 872 MHz a 1900 MHz. Pásmo 1900 MHz je použito pro území hlavního m sta Prahy, druhé vymezené rádiové spektrum je ur eno pro ostatní m sta eské republiky [10]. Jak m žeme vid t na odkaze Obr. 2.1, eská republika není zdaleka ani z 50% pokryta. Dle oficiálního stanoviska T-Mobile nehodlá svoji UMTS TDD sí rozvíjet a vybuduje svoji UMTS FDD sí .

Obr. 2.1: Pokrytí eské Republiky technologií UMTS TDD od spole nosti T-Mobile6

Pro ú ely m ení byly používány tyto hardwarové a softwarové prost edky, které dodává T-Mobile. 6

Aktuální mapa pokrytí platná k m síci kv ten 2009, t-mobile.cz

26

2.1.2 Hardware Pro p ipojení do 3G sít spole nosti T-Mobile jsem využíval externí modem 4G od firmy IPWireless (typ P1D 1900/872 MHz s integrovanou anténou) a 4G datovou combi kartu od firmy IPWireless (typ PCMCIA TDD 1900/872 MHz /GPRS/EDGE 850/900/1800/1900 MHz, model TX s palcovou a externí anténou), se kterou se lze p ipojit i do sít GPRS a EDGE. Spolu s výše uvedeným hardwarem se dodává základní utilita Web’n’walk manager, která i úplným za áte ník m umožní nakonfigurovat p ístup k Internetu. Sou ástí tohoto manažeru je i velmi jednoduchá utilita pro orienta ní sledování po tu p ijatých a odeslaných dat a aktuální rychlosti v obou sm rech. Po velmi jednoduché instalaci nám web’n’walk manager ukáže základní charakteristiky sít . Tyto statistiky lze získat i odpovídajícími AT p íkazy [11] : AT^PFREQ: 918900; 3,84 Mcps, 28, 114 – frekven ní spektrum 872 MHz, pro 1900 MHz je to ozna ení 1912600; chipová rychlost; AT+CSQ: 50, 99, -69, -69, 5 – zpráva o síle signálu -69 dBm a S/N 0 dB. Krom základních charakteristik sestaví i vytá ené p ipojení k síti Internet. Využívá se protokolu PPP. Po p ipojení dojde k p id lení ve ejných7 adres z rozsahu: •

4G sí – 89.24.x.x/32 a DNS servery 62.141.0.1 a 213.162.65.1.

•

EDGE/GPRS sí – 172.24.x.x/32 a DNS servery 62.141.0.1 a 213.162.65.1.

2.1.3 Software Pro m ení základních kvalitativních parametr byl využit software IxChariot od firmy Ixia, která se zabývá poskytováním systému k otestování výkonu IP sítí a služeb. Podrobný popis softwaru IxChariot viz [8]. Pro m ení bylo využito tarifu Internet Premium, který omezuje p enosovou rychlost dle podmínek p ipojení ve sm ru download na hodnotu 1024 kb/s, o omezení opa ného sm ru se podmínky nezmi ují.

2.1.4 Výsledky m ení Pro objektivní porovnání výsledk s ostatními operátory bylo m eno ve dvou místech. Lokalita 1 (Nové M sto na Morav ) není pokrytá signálem technologie UMTS TDD. Úrove signálu v tomto míst byla zm ena okolo -113 dBm. P i této úrovni signálu nedojde ani k navázání spojení.

7

Jako jediný operátor p id luje ve své 3G síti ve ejné adresy

27

Obr. 2.2: Porytí m sta Brna signálem od spole nosti T-Mobile s polohou stanic Node B.

Jako druhá lokalita bylo zvoleno m sto Brno, které má komplexní pokrytí signálem sít 3G od T-Mobile. Na Obr. 2.2 lze vid t kompletní pokrytí severní ásti Brna. Dle seznamu Node B [10] je k pokrytí pot eba pouhých 20 stanic Node B, avšak tento po et nem žeme však považovat za kone ný. V míst testování byla nam ena úrove signálu od -67 dBm po 81 dBm. Tento rozsah závisí na typu, poloze antény a terminálu, vysílacím výkonu Node B. Scéná celého m ení je pro lepší názornost vid t na Obr. 2.3. Na koncových za ízeních využívající sí 3G byly nainstalovány Performance Endpoint (PE). Konsole IxChariot byla nainstalována na školním notebooku, který byl p ipojený do kolejní sít . Tato konsole je i zárove i PE. Všechna za ízení PE i konsole musí být dostupné pomocí p íkazu ping. V tomto p ípad je podmínka spln na, jelikož jak 147.229.173.94/22, tak 89.24.x.x/32 jsou ve ejné adresy. Všechny testy jsou závislé na dni v týdnu a denní hodin , kdy byly provád ny, a byly zopakovány 3x v intervalu 10 minut, aby nedošlo ke zkreslení kvalitativních parametr nadm rným provozem, kolísáním úrovní signálu.

Obr. 2.3: Scéná m ení kvalitativních parametr

28

2.1.4.1 Propustnost (download a upload) Propustnost ve sm ru download byla m ena mezi terminálem UE1 a PC PE, kde b žela konsole IxChariot. Pro co nejobjektivn jší m ení byly zvoleny tyto koncové body, protože propustnost mezi terminály 1 a 2 by byla ovlivn na „soupe ením“ o rádiové zdroje. P enášen byl nekomprimovaný soubor o velikosti 100 kB, který byl p enesen 100x. Testy prob hly v odpoledních hodinách ve všední den, signál m l úrove -69 dBm. Ve sm ru upload byly rádiové podmínky stejné, byl též p enášen nekomprimovaný soubor, a to o velikosti 50 kB. P enesení se opakovalo 50x. V IxChariot byl použit skript throughput. Na odkazu Obr. 2.4 jsou zachyceny pr b hy získaných p enosových rychlostí, které neprob hly simultánn . Pr b hy byly nam ené v lokalit Brno, s externí anténou, v 16:30 hod. Ve sm ru download bylo dosaženo pr m rné rychlosti 287 kb/s s vyskytujícím se maximem na hodnot 394 kb/s a minimem 140 kb/s. V opa ném sm ru data byla odesílána pr m rnou rychlostí 135 kb/s s rozptylem 102 kb/s až 161 kb/s. Rychlost p ipojení není stálé a nesetrvává po delší m ený úsek na jedné p enosové rychlosti. Jak bylo zmín no výše, t i typy antén (integrovaná, palcová a externí) umož ovaly p ijímat t i r zné úrovn signálu.Výše úrovn signálu má vliv na kvalitativní parametry p enosu. V Tab. 2.1 jsou zaznamenány hodnoty ve sm ru download p i t ech r zných úrovních signálu a stejných parametrech simulace, jak bylo zmín no výše. Tab. 2.1: Závislost pr m rné propustnosti spojení na úrovni signálu úrove signálu [dBm] -80 dBm -74 dBm -69 dBm

S/N [dB] 0dB -1dB 1dB

pr m rná [kb/s] 79 159 210

minimum [kb/s] 37 75 135

maximum [kb/s] 160 305 371

doba p enosu [s] 502 250 189

P i hodnot -80 dBm se pr m rná rychlost ve sm ru download pohybovala okolo pouhých 79 kb/s. Abychom dosahovali p enosových rychlostí 2x vyšších, sta í vym nit palcovou anténu za externí v datové kombi kart a propustnost spojení vzroste více jak dvojnásobn . Další navýšení není ovlivn no ani tak typem antény (jedná se o integrovanou anténu), ale polohou externího modemu.

29

Obr. 2.4: Propustnost ve sm ru download a upload

Další z test , který byl provád n, je simultánn spušt ný p enos soubor . Pokud uživatel p ipojený do sít 3G stahuje data o ur ité p enosové rychlosti a k tomu za ne ukládat na vzdálený server, dojde k razantnímu poklesu rychlosti ve sm ru download. U propustnosti v opa ném sm ru však nedochází k žádnému odchýlení od standardn nam ených hodnot. Tuto skute nost zachycuje Obr. 2.5. P i sou asném b hu v obou sm rech se rychlost ve sm ru download pohybuje t sn pod pr m rnými hodnotami sm ru uplink. Tab. 2.2: Závislost p enosové rychlosti na denní dob

Datum a as Down Up [hh:mm] [kb/s] [kb/s] 10:00 242 99 11:00 206 99 12:00 147 119 13:00 158 97 14:00 185 101 15:00 356 89 16:00 183 117 17:00 352 105 18:00 402 113

Datum a as Down [hh:mm] [kb/s] 19:00 343 20:00 227 21:00 399 22:00 278 23:00 371 0:00 444 1:00 429 2:00 368 3:00 438

Up [kb/s] 110 98 112 102 113 122 121 129 116

V Tab. 2.2 jsou zaznamenány závislosti p enosových rychlostí na denní dob . První skute nost, která je z tabulky z ejmá, je, že propustnost dat v odchozím sm ru nezávisí na denní dob . Po celý den m ení se hodnota pohybovala pr m rn okolo 108 kb/s, v opa ném sm ru je situace odlišná. V dopoledních a odpoledních hodinách p enosové rychlosti odpovídaly zvýšenému po tu uživatel , propustnost mezi 150-200 kb/s, ve ve erních a no ních hodinách se provoz zmenšil, využití kapacity se snížilo a tím vzrostla propustnost oproti odpoledním hodinám dvojnásobn , tj. 300-400 kb/s.

30

Obr. 2.5: Simultánn spušt ná služba FTP v obou sm rech a ovlivn ní propustnosti

2.1.4.2 Zpožd ní Na Obr. 2.6 je zobrazeno obousm rné zpožd ní, které bylo provád no v i serveru www.google.cz p íkazem ping www.google.cz –t –l 100, kde velikost vysílané zprávy byla 100B p i úrovni signálu v m ené lokalit (zelený bod na map Obr. 2.2) -69 dBm. Odezva byla op t testována b hem celého dne a pr m rná hodnota obousm rného zpožd ní byla zm ena na 188 ms se sm rodatnou odchylkou 52 ms. Samotná hodnota odpovídá p edpoklad m u této technologie, protože zpožd ní u této technologie je p edpokládané mezi 150 až 200 ms, avšak ze všech t í prom ovaných technologií dává nejhorší výsledky. Ze samotné odezvy nelze jednozna n ur it, zda mobilní p ipojení je i není vhodné k VoIP, avšak p i pohledu na Obr. 2.6 lze vy íst, že p ipojení p es technologii UMTS TDD neumožní kvalitní VoIP hovor. V témže grafu je znázorn ný i jitter. Zelená p ímka zobrazuje maximální možnou p ípustnost hranici, kdy VoIP lze provozovat. Jak lze vid t na grafu, tém 37% hodnot parametru jitter se nachází nad touto hranicí. Z tohoto m ení lze ud lat záv r, že VoIP provozované v této mobilní síti bude na hranici realizovatelnosti. D kazem je pr m rný jitter 38 ms se sm rodatnou odchylkou 36 ms.

31

600

Zpožd ní a jitter serveru www.google.cz mobilního p ipojení T-Mobile

t [ms]

500 Zpožd ní Jitter 400

300

200

100

0 0

50

100

150

200

t [ms]

250

Obr. 2.6: Odezva serveru www.google.cz u technologie UMTS TDD spole nosti T-Mobile

2.1.4.3 VoIP Výše zm ené kvalitativní parametry nedávají dobré p edpoklady pro provozování VoIP. I když ší ka pásma (100 kb/s ve sm ru upload a 200-400 kb/s pro download) je dostate ná pro provozování t chto služeb, jak pro využívání kodek G.729, tak pro G.711a, ostatní a mnohem d ležit jší parametry (zpožd ní a jitter) nejsou dostate né pro VoIP.

Obr. 2.7: Porovnání odhadované kvality VoIP parametrem MOS s r znou hodnotou jiter bufferu

32

V testovacím programu IxChariot byly nastaveny dva páry, které simulovaly VoIP provoz mezi terminálem UE1 a konzolí IxChariot. Pro spojení byl použit kodek G.729, který umož uje reprodukci hlasu ve vysoké kvalit s vysokým komprima ním stupn m. Datagramy o velikosti 20 ms kódováné G.729 jsou odesílány rychlostí 8 kb/s. Aby VoIP provoz byl co nejrealisti t jší, byla nastavena aktivita mluv ího (voice activity rate) na 50%. Doba hovoru byla nastavena na 200 s. Poslední parametr, který významn ovliv oval výsledky, je velikost jitter bufferu. Na Obr. 2.7 je porovnání parametr MOS pro dv r zné velikosti bufferu. Jak bylo zmín no výše, kvalitativní parametry nejsou vhodné pro provoz VoIP. ervená k ivka zobrazuje kvalitu hovoru p i standardní velikosti bufferu, tj. 40 ms. Pr m rná hodnota MOS b hem simulovaného hovoru byla stanovena na 2,96. Hodnota jasn nazna uje, že hovor bude velmi špatný a zhoršení hovoru obt žuje natolik, že bude ukon en. P i navýšení bufferu na hodnotu 120 ms dohází ke zvýšení zpožd ní, avšak dle simulace dochází ke zlepšení kvality hovoru až na pr m rnou hodnotu 3,68. Na Obr. 2.8 je zachycen graf jednotlivých parametr jitter pro r zné druhy použitých kodek p i velikosti bufferu 40 ms. Prom ovaný jitter se výrazn neliší pro jednotlivé kodeky a b hem všech m ení se jitter stabiln pohyboval pr m rn v rozmezí 20 až 24 ms s minimální hodnotou 10 ms a maximální hodnotou 59 ms.

Obr. 2.8: Zm ený jitter u kodek G.711, G.729 a G.726 použitých p i VoIP komunikaci

33

Obr. 2.9: Celková kvalita MOS za použití jednotlivých kodek

Dalším parametrem, který bychom m li podrobn zkoumat je ztrátovost. Jedná se o p enos p es rádiové rozhraní, které se obecn vyzna uje velkou chybovostí. B hem všech provedených m ení se ztrátovost pohybovala kolem 0,1%. Ke ztrátám docházelo p edevším b hem prvních vte in hovoru. Další m ený parametr nám ovšem poukazuje na problémy p i asymetrickém provozu, tj. UE1-to-PC spojení. Hodnota jednosm rného zpožd ní by se m la pohybovat do 150 ms. P i realizovaných testech byla hodnota jednosm rného zpožd ní v odchozím sm ru v tší než hodnota v p íchozím a p esahovala maximální hranici pro uspokojivý VoIP hovor. Pr b h jednosm rného zpožd ní je vyobrazen na Obr. 2.10. Modrá k ivka vyjad uje jednosm rné zpožd ní ve sm ru p íchozím (volaný -> volající), které se pohybovalo v rozmezí 15-35 ms. ervená k ivka v opa ném sm ru m la až p tinásobn v tší zpožd ní (140-180 ms), což velmi výrazn ovliv uje p edpokládaný MOS.

34

volající (T-Mobile) -> volaný

volaný -> volající (T-Mobile)

Obr. 2.10: Jednosm rné zpožd ní, ervená k ivka zpožd ní od MS, modrá k ivka zpožd ní k MS

Teoretické simulace nedávají p edpoklad pro kvalitní VoIP hovor. Realizované testy tomu daly za pravdu a odrážely zm ené výsledky. Odchozí tok dat hovoru se vyzna oval tak velmi špatnou srozumitelností a kvalitou, že nutil ukon it VoIP hovor. Technologie UMTS TDD, na základ t chto výsledk , není vhodná pro provozování VoIP. 2.1.4.4 P enos videa Jak bylo zmín no v p edešlých kapitolách, kvalita hovoru VoIP provozována p es UMTS TDD je velmi kolísavá a velká ást provedených volání je nevyhovující. Podobné výsledky o ekáváme i u p enosu videa. M ení se zam ila p edevším na p enos videohovoru mezi koncovými za ízeními, které byly p ipojeny do sít Internet p es rádiové rozhraní sít T-Mobile. P i provád ných testech se však vyskytly problémy se „zamrzáním“ PPP p ipojení, kdy po spušt ní simulace p estalo být koncové za ízení dostupné. Tento problém se nepoda ilo odstranit ani p i použití VPN a p ehrání ovlada a p íslušného softwaru. Proto se p íslušné simulace provád ly pouze mezi UE1 a PC, a to v obou sm rech. M ení probíhala v odpoledních hodinách p i úrovni signálu -68 dBm, p enášeno bylo MPEG2 video8 o r zných p enosových rychlostech a byly prom ovány základní charakteristiky videa, MLR (Media Lost Rate) a DF (Delay Factor), více o t chto parametrech na [20]. Charakteristika videa ve sm ru: •

8

Downlink. P i p enosové rychlosti videa 100 kb/s a 350 kb/s je MLR 0. Teprve až p i 600 kb/s výrazn stoupne parametr MLR na hodnotu 95,6. Tuto hodnotu lze interpretovat tak, že 95,6 paket /s obsahující video se ztratí nebo

IxChariot neumož uje jiné nastavení kodeku, implicitn pouze MPEG2

35

p ijde v nesprávném po adí. Druhý parametr DF udává velikost jitter bufferu, která by vyrovnala jitter p ipojení. Podle [20] by se m la pohybovat mezi 950 ms. Tyto spojení vykazují velikost DF u prvních dvou pr m rnou hodnotu 261 ms, pro 600 kb/s se jedná o hodnotu 489 ms. Hodnoty p ekra ují doporu ovanou mez, ale mnohem lepší interpretaci než DF nám p ináší jednosm rné zpožd ní. Hodnoty jednosm rného zpožd ní jsou v ádech sekund, jak m žeme vid t na Obr. 2.11. U p enosových rychlostí videa s MLR rovno nule je pr m rné jednosm rné zpožd ní 3055 ms, u posledního p enosového videa dokonce až 5026 ms. M žeme íci, že UMTS TDD absolutn nespl ují podmínky pro videohovor v reálném ase. Avšak t í sekundové zpožd ní nemá zásadní vliv pro p ehrávání videa i sledování televizních po ad ve velmi nízké kvalit .

Obr. 2.11: asová závislost jednosm rného zpožd ní pro jednotlivé p enosové rychlosti videa

•

Uplink. Z p edchozích m ení víme, že propustnost se pr m rn pohybuje okolo 108 kb/s. To nám umožní p enášet maximáln video p enosovou rychlostí 100 kb/s. Toto video má parametry MLR rovno 0 a DF 450 ms. Jednosm rné zpožd ní bylo 6092 ms. Parametry jsou jen informativní, protože je málo pravd podobné, že UE bude sloužit jako server, ze kterého se bude streamovat video. Na p edchozí stránce jsme již vylou ili provozování videohovoru pro sm r downlink. Pro tento sm r platí stejný záv r.

Praktické testy jen potvrdily záv ry z provedených simulací. Obraz videohovoru o p enosové rychlosti 64 kb/s je trhaný, hlas p idružený k obrazu je nesrozumitelný a pohyb úst nekoresponduje s mluveným slovem.

36

2.2 M ENÍ KVALITATIVNÍCH PARAMETR TELEFÓNICA O2

SÍT 3G –

2.2.1 Základní informace Další z operátor , u kterého bylo provád né m ení kvalitativních parametr , je Telefónica O2 Czech Republic, a.s. O2 ješt jako Eurotel též získal za ástku kolem 4 miliard K licenci na provozování 3G sítí a jako první operátor v eské republice spustil celosv tov nejrozší en jší variantu UMTS, a to UMTS FDD. Pokud se podrobn ji podíváme na portfolio služeb, které O2 nabízí, není to jen UMTS technologie, kterou provozuje. O2 též vlastní licenci na provozování telekomunika ních služeb v pásmu 450 MHz, kterou vlastní od dob, kdy provozoval technologii první generace - NMT. V tomto pásmu má nyní nasazenou technologii CDMA 1x EVDO. Rev.0 s kvalitním pokrytí po celé eské republice, u Rev.A to je o poznání horší a pokrývá pouze nejd ležit jší m sta R, krom Prahy a Brna. D vod tohoto kroku vidím v dopln ní pokrytí na místa, kterou hlavní technologie UMTS nepokrývá (jsou pokryté pouze dv nejv tší metropole). Na Obr. 2.12 je zobrazeno pokrytí R technologií UMTS a CDMA 1x EVDO Rev.A9.

Obr. 2.12: Mapa pokrytí operátora O2, sv tle modrá CDMA 1x EVDO Rev.A, tmav modrá UMTS/HSDPA

Pokrytí O2 (CDMA 2000 Rev.A) a T-Mobile (UMTS-TDD) jsou velmi podobné. Ješt na podzim 2008 byl strategický plán T-Mobile nestav t sí UMTS-TDD a po kat na LTE. V sou asnosti T-Mobile chce technologií UMTS-FDD pokrýt 70% obyvatelstva. Též i O2 9

Za období podzim 2008-jaro 2009 došlo k posílení pokrytí technologií Rev.A, stav k kv ten 2009, cz.o2.com

37

chce do konce roku 2009 rozší í sí UMTS (HSDPA) na dalších 20 m st a do t í let rozší í pokrytí až na 70% území. Na internetových stránkách proklamují rychlosti až 3,6 Mb/s ve sm ru download a v opa ném sm ru 384 kb/s pro standard UMTS/HSDPA. Pro standard CDMA 450 Rev.0 to jsou rychlosti 2,4 Mb/s pro download a 153,6 kb/s v opa ném sm ru a pro Rev.A 3 Mb/s a 1,7 Mb/s. Tyto p enosové rychlosti jsou ale teoretické hodnoty p íslušného standardu. Ve skute nosti šlo dosáhnout rychlosti dle p íslušného tarifu, tj. 1024 kb/s (download) a 256 kb/s (upload). Od poloviny kv tna 2009 byla rychlost stahování navýšena na 3,2 Mb/s. Frekvence, na kterých celá O2 sí pracuje, jsou uvedeny na odkaze Rozvoj 3G v eské republice.

2.2.2 Hardware O2 nabízí pro p ipojení do své sít externí combi modem AnyDATA ADU-630WH podporující technologie UMTS-HSDPA a CDMA2000 v pásmu 450 MHz (s integrovanou anténou je však p ikládána i externí anténa pro CDMA), který umož uje p enosovou rychlost až 7,2 Mb/s. Druhé za ízení, které operátor dodává, je PCMCIA Express karta od spole nosti Huawei E870, která podporuje GPRS/EGPRS a UMTS s kompletní podporou HSPA. S AnyDATA se dodává i utilita Easy Wireless Network viz. Obr. 2.13. Jedná se o velmi jednoduchou utilitu, která nám velmi orienta n ukazuje aktuální p enosovou rychlost, dostupné sít a jejich relativní úrove . Bohužel zde nejsou uvád ny žádné servisní informace o absolutní úrovni signálu, S/N i informace o aktuáln p ipojené bu ce. P i p ipojení k modemu p es sériovou linku lze zjistit úrove signálu pomocí zadání p íkaz AT+CSQ. Ostatní AT p íkazy dle doporu ení ETSI TS 27 007 V8.5.0 [11] však nejsou dostupné.

Obr. 2.13: Utilita jednotlivých modem , vpravo Huawei E870, vlevo AnyDATA ADU-630WH

Druhý modem, Huawei 870, nabízí velmi snadnou instalaci bez pot eby CD. Samotný modem se hlásí i jako za ízení s vym nitelným úložišt m a všechny pot ebné ovlada e a utilita jsou v pam ti karty a nainstalují se po zasunutí modemu do p íslušného rozhraní. Na odkaze Obr. 2.13 (vpravo) je dostupná utilita Mobile Partner pro tento modem, která poskytuje stejné základní údaje a nastavení jako v p edešlém p ípad . Tento modem dodržuje 38

výše zmín né doporu ení ETSI. Všechny pot ebné servisní informace lze zjistit p es hyperterminál zadáním p íslušných p íkaz : •

AT+CSQ

+CSQ: 18,99, -> -73 dBm,

úrove signálu, 1 (= -111 dBm) až 30(= -53 dBm), 31 (= -51 dBm a lepší). •

AT+CREG=2,

zp ístup uje sí ovou registraci a informace o pozici. •

AT+CREG=2?

+CREG: 2,1,EE3,ED99DC5,

2 (=zp ístup uje monitorování), 1 (=UE je registrované do domovské sít ), EEC (=udává LAC) a ED99DC5(=dle seznamu na [10] lze zjistit, k jaké Node B je UE p ipojený, výše uvedené je Node B na pozic Brno - Lesná, Okružní 279/17, Královopolská RIA a.s.) Op t dojde k sestavení spojení pomocí PPP protokolu. Po p ipojení je p id lena privátní adresa z rozsahu: •

HSDPA/UMTS 10.172.x.x/32, DNS servery 160.218.10.200 a 160.218.43.200,

•

CDMA 450 10.166.x.x/32, DNS servery 160.218.10.200 a 160.218.43.200.

2.2.3 Software Jak bylo zmín no výše, O2 p id luje dynamicky svým za ízením privátní IP adresy. V tomto m ení byla situace ztížena o výše zmín ný fakt, že jednotlivá koncová za ízení nejsou v rámci sít O2 dostupná (http, ftp, snmp). Celý problém je ešitelný pomocí VPN sítí. Prvn byla vyzkoušena univerzitní VUT VPN sí (vpn.vutbr.cz), problém to ovšem nevy ešilo. Z toho d vodu byla vytvo ena VPN sí pomocí shareware Hamachi (více v [14]). Na obrázku Obr. 2.14 je zachycen celý scéná m ení. Na základ provedeného testu v síti TMobile m žeme íct, že VPN zásadn neovliv uje pr b h m ení. P esné stanovisko nelze vyhodnotit, protože p ipojení v síti T-Mobile je vysoce nestabilní a odchylky jednotek ms nejsou rozpoznatelné. Porovnání je zachycené na odkaze P íloha A.1. P esná m ení byla provád na pomocí simula ního programu IxChariot a nástroje ping, orienta ní m ení pomocí služeb dostupných na Internetu (http://speedtest.happynet.at/myspeed/testmyvoip.html a www.rychlost.cz). Pro m ení bylo využito tarifu O2 Internet mobil 1024 Plus, který omezuje p enosovou rychlost dle podmínek p ipojení ve sm ru download na hodnotu 1024 kb/s, ve sm ru upload na 256 kb/s.

39

Obr. 2.14: Zachycení scéná e m ení koncových za ízení operátora O2

2.2.4 Výsledky m ení Tak jako u spole nosti T-Mobile i operátor O2 nemá pokrytí 3G sítí (UMTS/HSDPA) v lokalit 1 (Nové M sto na Morav ). Druhým a též jediným možným místem (po Praze), kde je možné m it UMTS je op t moravská metropole Brno. Z obrázku Obr. 2.15 se m že zdát, že pokrytí není až tak kvalitní, ale nepokrytá místa nejsou obytné oblasti, a ve vypo ítaném modelu pokrytí se vyskytují ur ité nep esnosti [viz. pozice 9, 10 v Tab. 2.3], kde bylo nam eno velmi kvalitní pokrytí s úrovní signálu cca. -61 dBm.

Obr. 2.15: Pokrytí m sta Brna technologií UMTS/HSDPA a lokalizace jednotlivých Node B

40

2.2.4.1 Propustnost (download a upload) Scéná m ení byl založen na m ení reálného provozu na náhodn zvolených pozicích mezi UE1 a FTP serverem (nebylo zapot ebí použití VPN). P enášeny byly nekomprimované soubory o velikostech 1,5 MB až 20 MB. Spojení bylo navázáno mezi KZ p ipojenými do 3G sít O2 (UE1) a koncovým za ízením p ipojeným do sít Internet p es Ethernet (FTP server). Nastavení simulovaného provozu bylo standardní, p enos nekomprimovaného souboru s 50 asovými známkami a maximální možnou p enosovou rychlostí. V tabulce Tab. 2.3 jsou zaznamenány hodnoty v daných lokalitách m sta Brna p i nulovém pohybu. P enosové rychlosti se pohybovaly pr m rn okolo 870 kb/s, v rozp tí mezi 776 kb/s až 925 kb/s. Všechny hodnoty byly nam eny p i standardních podmínkách (úrove signálu -55 dBm až -65 dBm). P enosová rychlost se pohybovala v pr m rných hodnotách i p i úrovni signálu -81dBm (= 3m pod úrovní chodníku, sklepení). P enosová rychlost ve sm ru od UE k Node B se pohybovala pr m rn 320 kb/s. Krom p enosové rychlosti se mobilní p ipojení vyzna uje i velmi vysokou stabilitou p ipojení v obou sm rech. Touto vlastností výrazn p evyšuje konkurenci, jak je možné vid t na testech od operátor T-Mobile a U:fon. Tab. 2.3: Rychlost p enosu ve vybraných lokalitách znázorn ných v Obr. 2.12

ID Lokalita 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Kolejní,menza VUT Purky ova, koleje Zahradníkova x Nerudova eská x Joštová Nam stí svobody Va kovka Hladíkova x Olomoucká Líše ská Jírova Mut nická Zimní stadion

down [kb/s] 901 867 776 840 831 925 891 897 861 899 880

up [kb/s] 318 312 302 328 328 312 323 326 337 335 304

úrove s. [dBm] -55 -73 -61 -81 -57 -57 -59 -61 -65 -63 -59

Výše zmín né tvrzení bylo dokázáno i v simula ním prost edí IxChariot. Jak je ukázáno na výstupu na Obr. 2.16, pr b h rychlosti p ipojení ve sm ru upload je tém konstantní (345 kb/s) se sm rodatnou odchylkou ±20 kb/s (v n kterých testech až ±37 kb/s). Na této odchylce se ur itou m rou podílí systém vyjednávání TCP komunikace. Tu m žeme vid t b hem prvních 10 až 15 vte in komunikace (n které testy vykázaly až 20 s), kdy dochází k postupnému zvyšování klouzavého okénka až na hodnotu, kdy dochází k ustálení p enosové rychlosti. Tato strategie se nazývá TCP slow start [3]. TCP slow start je jedno z možných vysv tlení, protože tímto nástupem je ovlivn na i kvalita VoIP hovor b hem prvních 10 vte in i p esto, že VoIP volání využívá protokol UDP.

41

Obr. 2.16: Graf znázor ující pr b h p enosové rychlosti ve sm ru upload Tab. 2.4: asová závislost p enosových rychlostí as [hh:mm] 10:00 11:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 732 713 488 776 659 898 706 down [kb/s] 155 154 154 155 147 154 155 up [kb/s] as [hh:mm] 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 645 693 804 758 860 878 903 down [kb/s] 153 153 152 155 152 151 154 up [kb/s]

V tabulce Tab. 2.4 jsou uvedeny pouze orienta ní hodnoty p enosových rychlostí. V ádcích „up“ jsou hodnoty, které velmi výrazn neodpovídají reálným m ením. D vodem tohoto m ení je již zmín ný TCP slow start. Hodnoty v ádcích „down“ jsou též zatíženy ur itou chybou, ale pokud nás zajímá závislost p enosových rychlostí na dob m ení, m žeme vycházet z Tab. 2.4. Hodnoty jsou výb rovým pr m rem z 5 m ení, které byly provedeny mezi hodinou i a i+0,5, kde i je hodina provedení m ení p i úrovni signálu 73 dBm. P enosové rychlosti ve sm ru uplink jsou nezávislé na asové dob , p enosové rychlosti v opa ném sm ru jsou nezávislé v dopoledních a odpoledních hodinách, v období od 23:00 dochází k mírnému nár st propustnosti. Výše uvedená m ení probíhala mezi terminály UE p ipojená do sít Internet p es HSDPA a koncovými za ízeními, která byla p ipojena p es Ethernet. Byla provedena i m ení mezi dv ma terminály UE. M ení byla provád na na pozici 2 v simula ním prost edí IxChariot. I p esto, že jeden terminál má schopnost stahovat data rychlostí okolo 900 kb/s, druhý z terminálu UE tato data generuje a odesílá rychlostí ve sm ru uplink. Proto celková propustnost UE-to-UE je ur ena propustností sm ru uplink. Výše uvedené tvrzení je op ené o výsledky zobrazené na obrázku Obr. 2.17.

42

Obr. 2.17: Propustnost end-to-end mezi dv ma terminály

Další scéná se zam il na to, jak simultánn b žící provoz v obou sm rech ovliv uje p enosovou rychlost. B hem scéná e byly sestaveny 2 p ipojení, každé v jednom sm ru mezi FTP serverem a UE2. P i tomto scéná i docházelo k poklesu p enosové rychlosti ve sm ru downlink o 15%. K poklesu p enosové rychlosti docházelo i p i simultánním b hu p ipojení dvou terminálu UE. Aby bylo lépe poznat chování výše popsaného problému, druhý terminál UE sestavil spojení o 20 vte in pozd ji. Na Obr. 2.18 je zobrazené chování obou p ipojení. Do doby než druhý terminál zahájí p enos, m žeme vid t standardní chováni UE1. B hem prvních 10 vte in dochází k navyšování klouzavého okénka a následných 10 sekund k ustálení p enosové rychlosti. 20 vte in po za átku se p ipojil druhý terminál, který u 80% test setrvával po dalších až 20 vte in na velmi nízké úrovni p enosové rychlosti. Teprve poté se dostal na úrove p enosové rychlosti prvního terminálu, a tím zárove snížil jeho p enosovou rychlost.

43

Obr. 2.18: Chování dvou terminál UE p i simultánním b hu dvou p ipojení ve sm ru downlink

Všechny výše uvedené nam ené hodnoty se týkaly UE p i nulovém pohybu. Byly provedeny m ení i s pohybujícím se UE. M ení bylo opakováno 10x na stejné trase (linka trolejbusu .26). P i pohybu okolo 40 km/h došlo k poklesu p enosové rychlosti na hodnotu 550 kb/s ve sm ru download (Obr. 2.19). M ení však provázely asté problémy. P i nekonsistentním pokrytí oblasti technologií HSDPA docházelo k výpadk m spojení, která musela být obnovena zrušením a op tovným sestavením PPP relace. K stejným problém m docházelo p i p echodu z UMTS technologie na HSDPA i v oblastech, která by m la být z 99% pokryta technologií HSDPA. Z tohoto d vodu níže uvedený graf poklesu p enosové rychlosti musíme brát za orienta ní.

Obr. 2.19: Rozdíl v p enosové rychlosti mezi pohybující se UE a UE bez pohybu

44

2.2.4.2 Zpožd ní V tomto m ení byla op t sledována charakteristika obousm rného zpožd ní pomocí p íkazu ping www.google.cz –l 100 –t. Tímto p íkazem byla m ena odezva 100B ICMP zpráv. M ení probíhalo p i úrovni signálu -73 dBm v míst 2, které se uskute ovalo mezi UE1 a serverem www.google.cz. Na Obr. 2.20 jsou zachycené nam ené hodnoty získané opakovaným m ením odezvy. Obousm rné zpožd ní mobilního p ipojení operátora inilo 148 ms se sm rodatnou odchylkou 10 ms. Druhým m eným parametrem byla prom nlivost zpožd ní (jitter). Pr m rný jitter byl 6,8 ms se sm rodatnou odchylkou 6ms. Jak bylo zjišt no u p enosové rychlosti, která se vyzna ovala velmi vysokou stabilitou v obou sm rech, tak prom nlivost zpožd ní se pohybuje v širokém rozmezí 0,1 ms až 28 ms. Hodnota parametru jitter i celého rozmezí je na mobilní prost edí nízká a m la by nám dát záruku podpory VoIP. 200

Zpožd ní a jitter serveru www.google.cz mobilního p ipojení O2

t [ms]

180 160 140 120 100 Obousm rné zpožd ní

Jitter

80 60 40 20 0 0

50

100

150

200 t [ms]

Obr. 2.20: Odezva serveru www.google.cz u technologie UMTS FDD spole nosti Telefónica O2

Krom zpožd ní UE-to-server nás ur it zajímá i zpožd ní UE-to-UE. M ení bylo provád no za podobných podmínek, které místo 2 poskytuje. M ení prob hlo mezi dv ma terminály UE a terminálem UE a PC v simula ním prost edí IxChariot za použití skriptu response time. Veli ina response time je obousm rné zpožd ní, která m í as dokon ení p íkazu na aplika ní vrstv a nejvíce odpovídá interakci lov k-po íta [8]. Pro lepší názornost obrázek Obr. 2.21 porovnává ob obousm rná zpožd ní (UE-to-UE a UE-to-PC). U spojení UE-to-PC bylo nam ené obousm rné zpožd ní 251 ms se sm rodatnou odchylkou 7,62 ms. U druhého m eného p ípadu musíme p edpokládat zpožd ní v tší, protože pakety jsou sm rovány p es více rádiových rozhraní. B hem prvních 10 vte in je obousm rné

45

zpožd ní velmi vysoké a které bude mít hlavní podíl na vysoce nekvalitním VoIP hovoru b hem prvních 10 sekund. Po této dob se obousm rné zpožd ní ustálilo na 520 ms, proto pr m rné obousm rné zpožd ní je 560 ms se sm rodatnou odchylkou 42,6 ms.

Obr. 2.21: Porovnání obousm rného zpožd ní na aplika ní vrstv mezi dv ma UE (end_to_end), UE a PC (end_to_PC)

2.2.4.3 VoIP Ve dvou výše uvedených kapitolách jsme prom ili kvalitativní parametry p ipojení jako propustnost a zpožd ní. Propustnost ve sm ru downlink až 900 kb/s a stabilních 320 kb/s pro uplink a obousm rné zpožd ní mezi PC p ipojeným p es Ethernet a terminálem UE 150 kb/s dává velmi dobré p edpoklady pro provozování VoIP za použití kodek jak G.711a, tak G.729. Nicmén charakteristika komunikace mezi dv ma terminály UE se ídí podle sm ru, jehož kvalitativní charakteristiky jsou horší, což je uplink. U této komunikace se pohybuje jednosm rné zpožd ní (150 ms) na hranici únosné kvality hovoru. Druhá vlastnost, která áste n ovlivní hovor, p edevším prvních 10 s, je již n kolikrát zmín ná konvergence p ipojení na optimální parametry. Testování prob hlo v míst 2 p i úrovni signálu -66 dBm až -74 dBm. Testovací skript simula ního programu IxChariot m l nastavené tyto parametry hovoru: doba hovoru 200 ms, využívané kodeky G.711 a G.729, datagramy o velikosti 20 ms a velikost bufferu neovliv ovala výslednou kvalitu hovoru, proto byla nastavena po celou dobu implicitn na 40ms. Na Obr. 2.22 je zachycený pr b h parametru jitter pro r zné druhy použitých kodek p i spojení UE-to-UE. Prom ovaný jitter se pro jednotlivé kodeky výrazn neliší a b hem všech m ení se pohybuje do 15 ms, G.711 dává o trochu lepší výsledky než G.729. Oba dva 46

kodeky dávají záruky kvalitního VoIP hovoru z hlediska parametru jitter. V následujícím p ehledu jsou statistické parametry parametru jitter: •

G.711a (64 kb/s). Výb rový pr m r 10,7 ms s minimální hodnotou 5 ms a maximální 21 ms.

•

G.729 (8 kb/s). Výb rový pr m r 13,7 ms s minimální hodnotou 6 ms a maximální 38 ms.

Musíme ovšem posoudit kvalitu hovoru, pokud bude provád na p i navázaném spojení UE-to-PC. Pokud zvolíme UE jako vztažnou soustavu, sm r p íchozí by m l mít lepší kvalitativní parametry než sm r odchozí, protože downlink definována Release 5 má sofistikovan jší prvky než uplink definovaný Release 99. Provedené testy to potvrdily a výsledný jitter ve sm ru downlink se pohyboval s pr m rem 5,5 ms, sm rodatnou odchylkou 4,6 ms, minimální hodnotou 0ms a maximální 44,8 ms. Na mobilní p ipojení je to výborná hodnota zaru ující kvalitní p íjem VoIP hovoru.

Obr. 2.22: Porovnání parametru jitter u spojení UE-to-UE p i použití kodek G.711 (64kb/s) a G.729 (8kb/s)

Dalším parametrem je ztrátovost. Ztrátovost by se m la pohybovat v nejhorším p ípad do 5%. V obou prom ovaných spojení se ztrátovost nikdy nedostala na takovou hladinu. Zvlášt u UE-to-UE spojení, které je mnohem více citlivé na ztrátovost než UE-toPC, se pohybuje parametr ztrátovost do 1%. Použitý kodek G.729 vykazuje menší ztrátovost s hodnotou 0,09% než kodek G.711 se ztrátovostí 0,64%. Za horní hranici jednosm rného zpožd ní se považuje 150 ms, p i které subjektivní hladina kvality hovoru zna n klesá. Jak lze vid t na Obr. 2.23, a již bylo n kolikrát 47

zmi ováno, prvních 10 sekund se jednosm rné zpožd ní pohybuje v sekundách. Na základ tohoto výstupu je VoIP hovor prvních 10 vte in nevyhovující. Po uplynutí této doby dojde k ustálení na hodnotách hrani ící s hodnotou 150 ms. Na základ teoretických p edpoklad je z ejmé, že kodek G.729 bude vykazovat lepší výsledky než kodek G.711. Tato teorie je i potvrzena na obrázku Obr. 2.23. Kodek G.711 vykazuje pr m rn o 30 ms horší jednosm rné zpožd ní než G.729, v absolutních íslech: •

G.711 (64 kb/s). Výb rový pr m r 170 ms, s minimální hodnotou 79 ms a maximální 2,8 s.

•

G.729 (8 kb/s). Výb rový pr m r 140 ms s minimální hodnotou 60 ms a maximální 2,1 s.

Na základ prom ených parametr VoIP hovor za použití kodeku G.729 dává p edpokládanou hodnotu MOS 3,7, pro kodek G.711 3,13 pro spojení UE-to-UE. P i sestaveném asynchronním p enosu UE-to-PC bude docházet k rozdílné kvalit hovoru. Kvalita hovoru p icházejícího do UE je vyšší (MOS 4,0) než kvalita hlasu, který uslyší uživatel v PC (MOS 3,7). P i realizaci skute ného hovoru se objevovaly drobné problémy p edevším v reprodukci hovoru na stran PC (zast ený a v n kterých p ípadech opožd ný hlas). Strana UE nem la sebemenší problémy se srozumitelností.

Obr. 2.23: Porovnání jednosm rného zpožd ní u kodek G.711 a G.729 p i spojení UE-to-UE

Operátor Telefónica O2 poskytuje dv technologie p ipojení do sít 3G, UMTS a HSDPA. Pokrytí HSDPA v tšinou odpovídá pokrytí UMTS, ovšem ne všechna mobilní za ízení podporují ob této technologie. Proto následující test se zam il na porovnání kvality VoIP hovor v t chto technologiích. Na následujícím obrázku Obr. 2.24 je vid t, že kvalita 48

hovor je p i použití kodeku G.729 na srovnatelné úrovni. Toto tvrzení p estává být pravdou p i použití kodeku G.711. Volání sestavené p es HSDPA má srovnatelnou kvalitu, a to díky vylepšením, kterými HSDPA disponuje. U UMTS, jako základní varianty, dochází k poklesu MOS na pr m rnou hodnotu 2,71, což lze klasifikovat jako hovor nevyhovující.

Obr. 2.24: Rozdíl v subjektivním hodnocení kvality hovoru UMTS (02_PC_UMTS) a HSDPA (VoIP g7xx) pro použité kodeky G.711 (64 kb/s) aG.729 (8 kb/s)

2.2.4.4 P enos videa P enos videa byl testován ve dvou scéná ích. První scéná se zam il na testování, jak kvalitní streamované video m že uživatel s p ipojením p es HSDPA p ijímat, a druhý se zam il na videohovor mezi koncovými terminály O2, který vyžaduje p ísn jší parametry p ipojení. Simulace streamovaného videa prob hla mezi PC a O2 Performace Endpoints pouze ve sm ru downlink za podobných rádiových podmínek jako v p edchozích m eních. IxChariot neumož uje rozsáhlé nastavení videa a omezuje se pouze na nastavení kodeku.Video bylo kódováno kodekem MPEG2 a p enášeno pomocí RTP protokolu. Podle provedených simulací m že koncový uživatel bez problém sledovat streamovaný tok dat až do rychlosti 600 kb/s. Tuto hodnotu lze považovat za hrani ní. Streamovaný tok dat o vyšších rychlostech již vykazuje známky artefakt a od hodnoty 900 kb/s vykazuje streamovaný tok vysokou ztrátovost. Videohovor byl simulován mezi dv ma terminály O2 jako jeden pár videop enosu pro každý sm r a k tomu p idružený pár VoIP hovoru pro oba sm ry. P enos obrazu m l nastavené stejné parametry jako v p edchozím p ípad u streamovaného videa, VoIP hovor byl kódován G.729 a jitter buffer m l velikost 40 ms. Takto nastavená simulace ovšem

49

nedokáže zajistit synchronizaci hlasu a videa, jejím výsledkem bude pouze to, jak se navzájem ovliv ují simultánn b žící služby hlasu a videa. Na Obr. 2.25 jsou znázorn ny výsledky testu u videohovoru zam ující se na p enos videa. U p enášeného MPEG2 obrazu s p enosovou rychlostí 100 kb/s je pr m rný MLR 0,045. Tato hodnota odpovídá 0,069% ztracených paket u parametru ztrátovost. Videohovor s p enosovou rychlostí 100kb/s je nejvhodn jší pro službu typu videohovor. Tuto skute nost lze vysledovat z dalších pr b h pro zvyšující se hodnoty p enosových rychlostí MPEG2 videa. U p enosové rychlosti 350 kb/s se parametr MLR zvýšil tém 250x na pr m rnou hodnotu 11,57, které odpovídá ztrátovost 5,38%. Pro nekomer ní nasazení je úrove ztrátovosti na p ijatelné úrovni a lze tuto ztrátovost akceptovat, ovšem pro komer ní nasazení je tato hodnota nevyhovující. ešení odráží parametr DF, který má pr m rnou hodnotu 201 ms. Parametr DF je výrazn ovlivn ný po áte ní konvergencí p ipojení, které je typické pro O2 p ipojení. P ipojení 600 kb/s je u O2-to-O2 spojení nerealizovatelné, toto tvrzení se opírá o hodnotu ztrátovosti pohybující se v rozmezí 48-51%.

Obr. 2.25: Znázorn ní indikátoru MLR pro r zné p enosové rychlosti videa u videohovoru

U provád ných volání VoIP bez soub žného p enosu videa se subjektivní kvalita MOS blížila hranici 4.0, jak je zobrazeno na Obr. 2.26 (zelená k ivka). Simultánn p enášený obraz a zvuk zp sobil výrazné zhoršení kvality hlasu podle provedených test až na pr m rnou hodnotu 2,71 u p enosu videa o p enosové rychlosti 100 kb/s. Oproti provedeným test m se však skute nost lišila a reálný videohovor byl subjektivn ohodnocen koncovými uživateli výše než ukazují provedené testy (MOS 3,5).

50

Obr. 2.26: Rozdíly v kvalit VoIP bez videa (zelená), s videem o p enosové rychlosti 100kb/s (modrá) a 600kb/s ( ervená)

51

2.3 M

ENÍ KVALITATIVNÍCH PARAMETR

SÍT 3G – U:FON

2.3.1 Základní informace Mobilní operátor U:fon provozovaný spole ností Mobilkom je tvrtým operátorem, který poskytuje mobilní služby v R. Na trhu p sobí již od roku 1993, ale licenci a oprávn ní k provozování mobilní sít vlastní až od roku 2006. TÚ ud lil oprávn ní pro operátora U:fon na technologii CDMA provozovanou v rádiovém spektru 410-430 MHz. U:fon provozuje díky širokopásmové technologii CDMA2000 1xEVDO Rev.A všechny své nabízené služby (volání z mobilního telefonu i z pevné linky, internet). Ze služeb „P ipojení k Internetu“ byla využívána a testována služba „U:fon v fofr Internet“. Tato služba nejen umož uje p ipojení k Internetu, ale nabízí i hlasové služby a to díky softwarovému telefonu. Na svých webových stránkách U:fon prezentuje, že jejich sí 3G umož uje p ipojení až rychlostí 3,1 Mb/s, avšak reáln uvádí pro sm r download 400700 kb/s a pro upload 200-400 kb/s. P ístup do sít U:fon je ešen pomocí hardwarového modemu AnyDATA ADU-510L, který je p ipojený s koncovým za ízením p es USB rozhraní. Tento modem umož uje nejen p ipojení k Internetu, ale i hlasové služby. Nejedná se o službu VoIP, protože nedochází k vytvo ení žádného IP sezení, ale je využita technologie CDMA 2000 1X RTT. Hlasová služba je zp ístupn na softwarovým telefonem (na boku modemu je výstup pro dodávaný headset). P iložený software realizuje jak hlasové spojení p es technologii CDMA 1X RTT, tak realizuje spojení do Internetu p es PPP protokol. P id lená IP adresa je z rozsahu 78.136.x.x/32, DNS servery jsou 78.136.128.4 a 78.136.128.12. P i zaškrtnutí položky „Informace o síti“ se objeví servisní informace o sektoru, do kterého je práv koncové za ízení p ipojeno.

2.3.2 Servisní informace V servisních informacích, jak m žeme vid t na odkaze Obr. 2.27, se vyskytují tyto informace: Ch: 549. Jedna frekvence pro celou oblast R, na kterém probíhá datová komunikace, a druhý kanál 505 využit pro hlasové služby. Rx: -55 dBm. Úrove p ijímaného signálu, v tomto p ípad se jedná o úrove v p ímé viditelnosti BTS.

52

Obr. 2.27: Modem ANYDATA ADU-510L, servisní informace sítí 1X a EVDO, softwarové rozhraní

Tx: -32 dBm. Úrove výkonu v odchozím sm ru. Ec/Io: -1,0. Tato veli ina udává rozdíl (o kolik dB) mezi úrovní kanálu z p ipojeného sektoru a sou tu úrovní ostatních kanál , které p íslušné za ízení zachycuje. Hodnota blížící se nule udává výraznou p evahu p íjmu signálu z jednoho sektoru. CNIR: 6,0 dB. Veli ina ozna uje odstup signálu od šumu, kde složka šumu je tvo ena sou tem tepelného šumu a interferencí uživatel (carrier-to-noise-and-interference ratio). State: Connected. Ukazuje aktuální stav za ízení. PN: 282. Tato hodnota identifikuje bu ku, do které je za ízení p ipojeno. U:fon používá t ísektorové (ve v tšin p ípad ) d lení a hodnota PN souvisí se sv tovou stranou, do které anténa vyza uje. V tšina (90%) identifikátor se ídí následujícím klí em: •

Prvnímu sektoru je p id lena hodnota 0-165 a tento sektor sm uje od SZ po SV.

•

Druhý sektor má o PN v tší o 168 než hodnota p id lena prvnímu sektoru a sm uje od SV po J.

•

T etí sektor má PN v tší o 336 než PN v prvním sektoru a sm uje od J po SZ.

Obr. 2.28: T ísektorové d lení bu ky

V p ípad PN hodnoty (282) by se podle klí e m lo jednat o sektor sm ující na východ. Jak m žeme vid t v reálném prost edí, koncové za ízení je lokalizováno ve východním sektoru ozna eným PN 282 s p ímou viditelností na Node B. Tomu odpovídá veli ina Rx.

53

Obr. 2.29: Pokrytí R datovou službou operátora U:fon a reálný p íklad sektorizace10

2.3.3 Software Situace u operátora U:fon je shodná se situací u Telefónica O2. Koncová za ízení s dynamicky p id lovanými IP adresami nejsou dosažitelná ani v rámci sít U:fon. Problém byl vy ešen stejným zp sobem a byly použity i stejné nástroje jako v p ípad Telefónica O2. Pro m ení bylo využito tarifu U:fon v fofr internet, který uvádí obvyklou p enosovou rychlost stahování mezi 300 až 700 kb/s a odesílání mezi 200 až 400 kb/s.

Obr. 2.30: Scéná m ení u operátora U:fon 10

Pokrytí je aktuální ke kv tnu 2009, zdroj ufon.cz

54

2.3.4 Výsledky m ení 2.3.4.1 Hlasová služba (CDMA 2000 1X RTT) Bylo realizováno n kolik spojení mezi softwarovým telefonem mobilního operátora U:fon a mobilním telefonem spole nosti Vodafone a O2. K vyto ení ísla (indikováno vyzván cím tónem na stran mobilního telefonu) dojde do 7s. Tato doba je standardní a neliší se od doby sestavení spojení mezi dv ma mobilními telefony pracujících v síti GSM. Ú astník hlasové služby je identifikován p edvolbou 910 (pouze u služby „Fofr Internet“). Po vyzvednutí na stran volaného velmi asto docházelo až k 5 sekundové prodlev , než volaný slyšel volajícího. P ijatá kvalita hlasu na stran volajícího byla jasná, srozumitelná a srovnatelná s kvalitou hovoru mezi GSM za ízeními. Na pozadí byl slyšet mírný šum, kvalita byla subjektivn ohodnocena na stupnici MOS 4,2. Kvalita hlasu na stran voleného byla horší, docházelo k p eskakování hlasu a p i poklesu hlasu indikujícího konec v ty docházelo ke zvukovému efektu time stretch (zpomalení tempa). Kvalita na této stran byla ohodnocena stupn m 3,8. 2.3.4.2 Datová služba (CDMA 2000 1xEVDO)

2.3.4.2.1 Propustnost (download a upload) Pokrytí 3G technologií CDMA 2000 (Obr. 2.29) je kvalitní a je pokryta i lokalita 1 (Nové M sto na Morav ). V této lokalit byly prom eny pouze orienta ní hodnoty. M ení probíhalo p i úrovni signálu -55 dBm p i p ímé viditelnosti Node B a byly p enášeny komprimované soubory o velikosti 1,2 MB a 20 MB mezi FTP serverem a UE. Nejen úrove signálu, ale i indikátor DRC (Data Rate Control)11 dávaly p edpoklad maximálním hodnotám propustnosti. Jak si m žeme všimnout v Tab. 2.5 p enosové rychlosti jsou do 21:00 na stejné úrovni a pohybují se okolo 347 kb/s (download), resp. 253 kb/s (upload). U více než jiných operátor zde dochází v no ních hodinách až k ty násobnému nár stu p enosové rychlosti, která ve 3 hodiny ráno dosáhla až 1,3 Mb/s.12 Celková p enosová rychlost je ovlivn na asem využívání služby. V odpoledních hodinách více uživatel využívá U:fonovu sí než v hodinách ve erních a no ních, kdy jejich po et klesá. Tab. 2.5: P enosové rychlosti v obou sm rech v závislosti na ase as [hh:mm] 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 328 371 383 397 351 346 299 286 323 down [kb/s] 201 269 253 245 275 238 178 254 199 up [kb/s] as [hh:mm] 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 368 374 339 453 594 901 1040 1258 1312 down [kb/s] 291 280 365 347 351 360 378 329 421 up [kb/s] 11 12

Indikátor p edpokládané rychlosti, který je umíst n ve spodní ásti softwaru realizující p ipojení. Tato hodnota se stala nejvyšší nam enou hodnotou p enosové rychlosti b hem celé doby provád ní test

55

V druhém míst m ení Brno (pokrytí Brna na odkaze P íloha C.1) byly dosaženy velmi podobné výsledky jako v lokalit 1. B hem dopoledních a odpoledních hodin p enosová rychlost setrvávala na 340 kb/s (download), resp. 240 kb/s (upload), pouze mezi tvrtou až šestou klesla propustnost až na pr m rných 170 kb/s, resp. 190 kb/s. Velmi b žn se stávalo, že propustnost ve sm ru upload byla v tší jak v opa ném sm ru. Ve ve erních hodinách klesá po et uživatel p ipojených k sítí a tím i pr m rné hodnoty postupn rostly až na 776 kb/s, resp. 350 kb/s. Z výše nam ených hodnot nelze ur it, jestli p enosová rychlost je tak stabilní jako bylo HSDPA p ipojení od O2 i není. Bylo prom eno UE-to-PC spojení p i úrovni signálu -61 dBm. Typický pr b h ve sm ru downlink je zobrazen na Obr. 2.31. Jak si lze z obrázku všimnout, p enosová rychlost ve sm ru downlink má velký rozptyl a dochází k tém periodickým výkyv m mezi maximální a minimální aktuáln dostupnou p enosovou rychlostí.

Obr. 2.31: Graf zobrazující vývoj p enosové rychlosti ve sm ru downlink

Výše zm ené záv ry jsou m eny pro standardní až nadstandardní podmínky. Pro podmínky okolo -83 dBm dochází ke snížení kvalitativních charakteristik. Pro sm r downlink dochází pr m rn k poklesu p enosové rychlosti z 410 kb/s na 100 kb/s, v opa ném sm ru z 284 kb/s na 214 kb/s. Rovn ž dochází ke dvojnásobnému navýšení zpožd ní. Pro orienta ní srovnání byly provedeny m ení i s pohybující se UE. M ení bylo opakováno 10x na stejné trase (linka trolejbusu .26, rychlost kolem 40km/h). B hem m ení nedocházelo k žádným problém m, se kterými se potýkalo p ipojení v síti HSDPA a p enosové rychlosti se pohybovaly ve stejném rozmezí jako u statických m ení.

56

2.3.4.2.2 Zpožd ní Charakteristika obousm rného zpožd ní byla testována pomocí ICMP zpráv serveru www.google.cz p íkazem ping www.google.cz –t –l 100, kde parametr –t umož oval odesílání a p ijímání ICMP zpráv po neomezenou dobu a velikost vysílané zprávy byla 100B. M ení probíhalo p i úrovni signálu -61 dBm. Obousm rné zpožd ní pr m rn dosahovalo hodnoty 85 ms se sm rodatnou odchylkou 25 ms. Hodnota zpožd ní je na první pohled velmi p ekvapivá, protože zpožd ní u této technologie je p edpokládané mezi 150 až 200 ms. N které publikace a lánky uvádí dokonce až 300 ms a p i porovnání s ostatními technologiemi (HSDPA, UMTS TDD) jde o hodnoty tém polovi ní. Pr m rný jitter je 17 ms se sm rodatnou odchylkou 23 ms. Hodnota parametru jitter sice z stává pod hodnotou 40 ms jako hranice pro podporu VoIP, ale v tém periodicky se opakujících intervalech dochází k výkyv m nad tuto hranici (Obr. 2.32). Tyto výchylky mají vliv na výslednou kvalitu VoIP hovor . 300 t[ms]

Zpožd ní a jitter serveru www.google.cz mobilního p ipojení U:fon Obousm rné zpožd ní Jitter

250

200

150

100

50

0 0

50

100

150

200

t[ms]

Obr. 2.32: Odezva serveru www.google.cz u technologie CDMA 2000 1xEVDO rev.A spole nosti U:fon

2.3.4.2.3 VoIP I u posledního operátora m žeme ud lat p edpoklad na základ výše zm ených charakteristik, zda je možné provozovat VoIP i ne. Dosahované p enosové rychlosti jsou dosta ují pro provoz VoIP, stejn tak i hodnoty obousm rného zpožd ní a jitter. Nesmíme však opomenout periodicky se opakující se výchylky (viz. výše), které jistým zp sobem mohou ovlivnit výslednou kvalitu hovoru. Testování prob hlo p i úrovni signálu -61 dBm až -65 dBm. Testovací skript simula ního programu IxChariot m l nastavené tyto parametry hovoru: doba hovoru 110 ms, 57

využívané kodeky G.711 a G.729, datagramy o velikosti 20 ms a velikost bufferu implicitn na 40 ms. P i realizované VoIP simulaci mezi UE1 a PC byly prom ovány oba dva sm ry: sm r downlink i uplink pro kodek G.729 z d vodu asymetri nosti sm r . V následujícím p ehledu jsou nam ené hodnoty, na kterých vidíme ur itou podobnost s HSDPA. Stejn jako HSDPA, která p edevším zlepšuje sm r downlink, tak i CDMA 1x Rev.A se zam uje na tento sm r. •

Downlink. Velmi nízká hodnota jitter 5,5 ms s minimální hodnotou 3 ms a maximální hodnotou 16 ms, end-to-end zpožd ní 75 ms a s maximální ztrátovostí 0,2%. Kvalitativní parametry obou technologií (HSDPA a CDMA Rev.A) dosahují z hlediska VoIP velmi podobných hodnot.

•

Uplink. P i UE-to-UE spojení je celková kvalita VoIP hovoru odvozená od tohoto sm ru. U tohoto sm ru se jitter pr m rn pohybuje na hodnot 19,5 ms s minimální hodnotou 11 ms a maximální 54 ms. Ztrátovost se pohybuje na úrovni 0,09%. Hodnota parametru jitter je horší než u HSDPA (13 ms), avšak zásadn by to nem lo ovlivnit kvalitu hovoru.

Na Obr. 2.33 jsou vyobrazeny výsledné kvality VoIP hovoru pro G.729 na stupnici MOS pro sm r downlink. Jak m žeme na tomto obrázku vid t, výsledná kvalita se drží na hodnot 3,9 na stupnici MOS. Zobrazené odchylky jsou odrazem výkyv projevujících se u parametru jitter a ztrátovost. Hodnota 3,9 nám poskytla kvalitní p íjem a reprodukci VoIP hovoru i p i realizovaných hovorech. Reprodukce v opa ném sm ru byla horší, p i testech zm ena programem IxChariot na 3,6. P i realizovaném hovoru docházelo k jev m (ob asná nesrozumitelnost, negativní zvukový efekt), které jsou pro tento sm r za t chto testovacích podmínek typické. Hovor realizovaný na spojení UE-to-UE vykazuje též kvalitu MOS 3,6 tzn., že hovor je realizovatelný s ob asnými výpadky. Rozdíl mezi VoIP hovorem v datové služb a hlasovém hovoru v hlasové služb v síti CDMA je velký. P edevším je pot eba zmínit cenovou politiku, kdy hlasová služba je zdarma pouze v rámci sít U:fon, do ostatních sítí je zpoplatn na a koncový zákazník o ekává ur itou standardní kvalitu hovoru. U VoIP hovor velmi asto docházelo k velké prom nlivosti kvality hlasu. B hem jedné hodiny bylo uskute n no 6 hovor a u ty ech z nich kvalita MOS kolísala kolem nam ených 3,6-3,9, zbývající dva musely být ukon eny pro nesrozumitelnost.

58

Obr. 2.33: Výsledná kvalita MOS dvou VoIP hovor

2.3.4.2.4 P enos videa Možnosti sít U:fon p enášet video budou s jistotou slabší než u spole nosti Telefónica O2. Simulace byly p edevším zam eny na komunikace mezi dv ma terminály U:fon. Testování prob hlo v míst Brno p i úrovni signálu mezi -61 dBm až -63 dBm. D ležité je zmínit, že testování prob hlo v odpoledních hodinách v dob p edpokládaného siln jšího vytížení sít . Parametry test byly stejné jako u p edchozích dvou m ení. Graf pr b hu parametru MLR pro video o p enosové rychlosti 100 kb/s vykazuje pr b h blížící se nule. Pokud však porovnáme charakteristiku MLR s pr b hem u operátora O2, nachází se zde mnohem více odchylek, které dosahují maximální hodnoty MLR až 7,4. Pr m rn se však MLR u videa s 100 kb/s p enosovou rychlostí pohybuje okolo 1,0. Tato hodnota odpovídá ztrátovosti 1,66%. Hodnota ztrátovosti není kritická, ale již p i tomto datovém toku nesoucí obraz, dochází k nežádoucím subjektivn obt žujícím artefakt m. Reáln provedená m ení nazna ila, že provád né videohovory jsou na hranici realizovatelnosti. P enos reálného videa výrazn ovliv uje kvalitu hovoru a uživatel je asto „donucen“ p enos videa zastavit, ímž se kvalita hovoru zvýší z volání nevyhovujícího (MOS 3,0 až 3,4) na vyhovující (MOS 3,6 až 3,9). Videohovor s p enosovou rychlostí 350 kb/s je na Obr. 2.34 zobrazen ervenou k ivkou a p íslušný pr b h MLR odráží pr m rnou ztrátovost 18%. P i porovnání s 02 (5,38%) narostla ztrátovost natolik, že nespl uje minimální požadavky pro p enos videa. Pokud bychom cht li využít p ipojení od operátora U:fon k online p ehrávání videa, museli bychom si vybrat takový datový tok z dostupné nabídky, jehož p enosová rychlost nep ekra uje 256 kb/s. Do této hodnoty p enos videa vykazuje pr m rnou hodnotu MLR 0,2 (ztrátovost do 0,5%), pr b hy MLR jsou v P íloha C.3.

59

Obr. 2.34: Porovnání MPEG videa o p enosové rychlosti 100 kb/s (modrá) s videem o rychlosti 350 kb/s ( ervená)

60

3 TECHNOLOGIE UMTS TDD – LABORATORNÍ ÚLOHA Cíl Seznámit se s technologií UMTS TDD, kterou využívá spole nost T-Mobile pro svoji 3G sí , prom it základní kvalitativní parametry a zhodnotit, zda tato technologie je vhodná pro VoIP. Požadavky na pracovišt 2 T-Mobile terminály (4G externí modem a 4G datová kombi karta) podporující 3G s aktivovanou SIM kartou a PC a notebook s podporou PCMCIA karet.

3.1 TEORETICKÝ ÚVOD IMT 2000 je celosv tový proces pro p echod na sí t etí generace, který pokrývá jak technickou specifikaci, tak frekven ní roz len ní spektra. Do této rodiny pat í technologie UMTS FDD, UMTS TDD, CDMA 2000, EDGE a DECT. Pro UMTS TDD byla zvolena p ístupová metoda TD-CDMA. Jak vyplývá z názvu, p íchozí a odchozí datový tok není odd len frekven n , ale asov , z toho vyplývá, že spektrum je nepárové. UMTS-TDD není tak rozší ená a najdeme tuto technologii v komer ním využití vzácn . TDD systém s sebou p ináší ur ité výhody a nevýhody. Mezi problémy, které TDD s sebou p ináší, je interference dop edného a zp tného sm ru, který op t vychází ze spole ného spektra obou sm r . ešením je synchronizace Node B na úrovni rámc . Jedna z nejv tších výhod UMTS-TDD je však podpora asymetrického datového toku, kdy operátor m že ovlivnit kapacitu jednotlivých sm r , kdy sm r p íchozí je zvýhodn n. Rozdíly TDD a FDD Prvním rozdílem je odlišná fyzická vrstva L1. Je implementováno kódové rozlišení ú astník v TDMA systému, chipová rychlost obou systém je stejná 3,84 Mc/s, ale TDD definuje i chipovou rychlost 1,28 Mc/s. Další rozdíly jsou uvedeny v Tab. 3.1. Tab. 3.1: Odlišnosti v jednotlivých modech TDD, a rozdíl mezi TDD a FDD

Chipová rychlost Duplex Ší ka pásma asový slot Délka rámce modulace p id lování kanál využívání burst 13

UTRA TDD UTRA FDD 3,84 Mc/s 1,28 Mc/s 3,84 Mc/s TDD TDD FDD 5MHz 1,66MHz 5MHz 15 slot 14 slot 15 slot 10ms 10ms 10ms QPSK/8PSK QPSK DCA13 DCA ano ano ne

DCA = Dynamic Channel Allocation, jedna z metod p i azování kanál mobilní stanici

61

Rámec má stejnou délku jako u FDD, tj. 10ms, je rozd len do 15 asových slot , každý o délce 666µs. Každý asový slot je p id len pro downlink nebo uplink. Ve dvou asových slotech na pozicích asového slotu k a k+8 ve sm ru downlink je namapován synchroniza ní kanál (PSCH) a b hem p epínání sm ru p enosu je vykonávána uzav ená smy ka ízení výkonu (closed loop power control). V p íslušném asovém slotu jsou vysílány 3 sekundární a jedna primární synchroniza ní sekvence, která je stejn vytvá ena jako u FDD. P i použití jednoho kódu s rozprostíracím faktorem 16 a p i azení jednoho asového slotu je uživatelská p enosová rychlost 13,8 kb/s. P i použití 16 kód a 13 asových slot dosahujeme p enosové rychlosti 2,87 Mb/s, dva zbývající sloty jsou ur eny pro PSCH. Mezi další rozdíly pat í p edávané zprávy na rozhraních Iub a Iur, které jsou stejné, ale jsou odlišné obsahov . TDD nevyužívá soft handover, podporuje jak handover v rámci systému TDD (intra system HO), tak v rámci ostatních standard jako FDD i GSM (inter system HO). Zásadním rozdílem je p id lování rádiových zdroj , kde se využívají odlišná m ení, a p id lování rádiových zdroj se d je podle algoritmu dynamického p id lování ízeného RNC. UMTS TDD v R V eské Republice využívá tuto technologii spole nost T-Mobile pod komer ním názvem 4G. T-Mobile vlastní licenci na provozování 3G v t chto pásmech: •

Pásmo 872–875,8 / 917–920,8 MHz pro technologii UMTS TDD,

•

pásmo 1900 – 1905 MHz pro technologii UMTS TDD,

•

pásmo 1920 – 1940 MHz pro technologii UMTS FDD sm r uplink,

•

pásmo 2110 – 2130 MHz pro technologii UMTS FDD sm r downlink.

Pouze pro orienta ní p ehled následující obrázek na odkaze Obr. 3.1 ukazuje rozd lení frekven ního spektra pro 3G v eské Republice.

Obr. 3.1: Popis rozd lení spektra UMTS pro region Evropa/Asie

3.2 ÚKOLY A OTÁZKY 1) Nainstalujte oba 4G modemy spolu s Web´n´walk managerem na p íslušná za ízení, k tomu využijte servisní CD od T-Mobile nebo stáhn te ovlada e a manager z www stránek t-mobile.cz.

62

2) Zjist te aktuální úrove p ijímaného signálu v dBm, parametr S/N, chipovou rychlost a p íslušné frekven ní pásmo, které 4G modemy využívají. Pokuste se zjistit tyto informace pomocí AT p íkaz . Nápov da: Využijte dokument 3GPP TS 27.007 V8.5.0 nebo gsmweb.cz. 3) Zjist te, zda oba terminály mají ve ejné IP adresy a zda jsou dostupné. Pokud dostupné nejsou, využijte VPN. 4) P ipojte se z jednoho koncového za ízení UE2 na FTP server (PC1). Pro vytvo ení FTP serveru na PC1 použijte vhodného softwaru. Zjist te pr m rné p enosové rychlosti pro download a upload. B hem p enosu sledujte aktuální p enosovou rychlost spojení a rozhodn te, zda p enosová rychlost je stabilní i ne. Tento úkol opakujte b hem celého m ení dvakrát. 5) Prove te stejné m ení jako u úlohy 4 s tím rozdílem, že budete testovat spojení mezi UE1 a UE2. M ení prove te b hem celého m ení dvakrát. 6) Zm te p enosovou rychlost v obou sm rech mezi UE1 a FTP serverem (PC1) pro r zné hodnoty úrovn signálu. Nápov da: Využijte palcovou i externí anténu a zkuste zásadn modemu.

m nit polohu

7) Nyní prom te obousm rné zpožd ní mezi UE1 a webovým serverem nap . www.google.cz a mezi UE1 a UE2. Zaznamenejte hodnoty po dobu nejmén 200 sekund, z t chto hodnot vypo ítejte pr m rné obousm rné zpožd ní a sm rodatnou odchylku, jitter a hodnoty graficky vyneste. Nápov da: K m ení m žete využít freeware Pinger i integrovaný nástroj ping a >>, který p evede výstup procesu do souboru. Hodnoty dále zpracujte vhodným tabulkovým softwarem. 8) Jaké jsou požadavky pro provozování VoIP? Na základ zm ených parametr rozhodn te, zda je možné provozovat VoIP u operátora T-Mobile i ne, rozlišujte p ipojení v jakém je VoIP provozován (UE1-to-UE2 i UE1-to-PC). 9) Nyní prove te online test kvality VoIP p ipojení UE1-to-PC. Využijte JAVA aplikaci na odkaze http://www.voipreview.org/voipspeedtester.aspx. Tento test opakujte dvakrát b hem m ení. Výsledky správn interpretuje. 10) Výše ov ené výsledky nyní prakticky ov íte. Na UE1 (PC1) a UE2 nainstalujte SIP klienty (Bria X-Lite, Ekiga), které zaregistrujte podle pokyn vyu ujícího. Sestavte VoIP volání mezi UE1 a UE2, UE2 a PC1. Pro každé p ipojení sestavte 2 volání a prove te hodnocení parametrem MOS. Nápov da: Parametr MOS je subjektivní parametr pro hodnocení VoIP hovoru. 63

11) K p íslušnému VoIP volání p idejte p enos obrazu a porovnejte kvalitu mluveného slova s p enosem obrazu a bez p enosu. 12) Všechna m ení zpracujte do p íslušných tabulek a na základ m ení vyhodno te zda technologie UMTS TDD je vhodná pro VoIP i videokonferenci.

Obr. 3.2: Logické rozmíst ní koncových za ízení a schéma laboratorní úlohy

64

4 ZÁV R Tato diplomová práce se zabývala zhodnocením jednotlivých technologiích 3G sítí, které jsou v eské republice nasazeny. Situace kolem 3G sítí v eské republice je zna n složitá a m žeme si dovolit tvrdit, že nasazení a rozvoj probíhá mnohem pomaleji než v okolních státech, a to i st edoevropských. Na mobilním trhu v eské republice nabízejí své služby ty i mobilní operáto i: Telefónica O2, T-Mobile, U:fon a Vodafone. Všichni z nich vlastní licence k provozování 3G sít , ovšem pouze první t i jmenovaní vybudovali a komer n provozují 3G sí . Všechny t i hlavní st žejní technologie rodiny IMT jsou provozovány, avšak každý z operátor ovšem provozuje jinou technologii. Telefónica O2 pro svoji 3G zvolila UMTS FDD s rozší ením HSDPA, dále využívá licenci pro frekvence na 450MHz, kde spustila sí CDMA 2000 v revizi 0 i A, T-Mobile UMTS TDD a U:fon CDMA 2000 Rev.A. Poslední operátor Vodafone vybudoval svoji 3G sí v obvodech Praha 9 a 10. Tato sí byla spušt na v b eznu a dle poslední tiskové zprávy b ží v testovacím provozu. TMobile se dlouho držel strategie, že již dále svoji UMTS TDD nebude rozvíjet a vy ká na komer ní nasazení LTE. Avšak z ejm pod tíhou konkurence, p íchodu IPhone 3G na eský trh a podle posledních tiskových prohlášení i T-Mobile spustí do konce roku 2009 svoji „klasickou“ 3G sí na bázi UMTS FDD. Jak bylo zmín no výše, T-Mobile zvolil technologii UMTS-TDD s p ístupovou technologií TD-CDMA. Tato standardizovaná, ale nep íliš rozší ená technologie, nabízí jednu zásadní výhodu oproti ostatním systém m. Tato výhoda tkví v podpo e asymetrického datového toku, kdy operátor m že ovlivnit kapacitu jednotlivých sm r , avšak musí se vypo ádat s interferencemi mezi p íchozím a odchozím sm rem. Na trhu existuje velmi málo koncových za ízení, které s touto technologií pracují. Pokryto není ani 50% území, ale 97 m st, kde se p edpokládá hlavní poptávka po této služb . UMTS TDD m že nabídnout propustnost až 3,3 Mb/s v pásmu 5 MHz. Jelikož se nejedná o párové pásmo, tato propustnost je rozd lena mezi sm r download a upload v pom ru 2:1. Tato p enosová rychlost je omezena na 1024kb/s poskytnutým tarifem. Instalace za ízení je velmi snadná a neobjevily se žádné problémy. T-Mobile p id luje terminál m ve ejné IP adresy, které velmi usnad ují m ení v simula ním programu IxChariot. Ve ejné adresy jsou velmi dobrým p edpokladem pro m ení v tomto simula ním programu a zajiš ují tém bezproblémové m ení. B hem m ení se pouze vyskytovala chyba synchronizace mezi za ízením Performance Endpoint a jednotkou Console, která shromaž uje a prezentuje výsledky. Maximální pr m rná p enosová rychlost, které bylo dosaženo, byla 423 kb/s v ranních hodinách. P es den se pr m rná rychlost pohybuje okolo 250 kb/s, v opa ném sm ru vykazuje rychlost okolo 110 kb/s nezávislou na denní dob . P i simultánním b hu obou sm ru, rychlost ve sm ru download rapidn klesá pod p enosovou rychlost ve sm ru upload. Tento problém je softwarový a lze ho vy ešit provedením aktualizace softwaru. Kvalitativní parametry pro

65

poskytování VoIP nejsou dosta ující. Ztrátovost byla nam ená 0%, pr m rné obousm rné zpožd ní 188 ms a jitter se pohyboval okolo 25 ms. Tyto hodnoty však vykazují zna ný rozptyl. Kvalita hovor byla velmi kolísavá a realizace hovoru VoIP se ve v tšin p ípad nevyda ila z d vod velmi špatné reprodukce hlasu. P i ustanovení hovoru ze strany terminálu T-Mobile se vyskytovaly problémy na stran volaného. Nelze jednozna n ohodnotit VoIP na stupnici MOS. Kvalita hovor kolísala mezi 1.0 – 4.0 p i použití G.729. Provozování videohovor lze jednozna n zamítnout, avšak p es T-Mobile p ipojení lze realizovat sledování videa o p enosové rychlosti až 350 kb/s. Telefónica O2 nabízí dv technologie 3G sít , a to CDMA 2000 provozovanou na frekvenci 450 MHz (licence z dob NMT) a UMTS. CDMA 2000 v Rev.0 pokrývá tém celou republiku (horská poho í a místa s velmi nízkým osídlením nejsou pokryta), Rev.A pokrývá krajská m sta a m sta nad 40000 obyvatel krom Prahy a Brna, které jsou pokryté UMTS s nadstavbou HSDPA. Tato technologie nabízí teoretické p enosové rychlosti až 14,4 Mb/s, reáln 3,6 Mb/s. I tato rychlost je tarifem omezena na 1024 kb/s. Této p enosové rychlosti se propustnost spojení p es HSDPA velmi blíží. Telefónica nabízí t i modemy od spole nosti Huawei a ANYDATA. Instalace prob hla naprosto bez problém , p edevším ešení instalace od spole nosti Huwaei je velmi „user-friendly“. Všechno pot ebné (ovlada e, utilita) je obsaženo na PCMCIA Express Card a tento hardware se hlásí jako externí disk. Z hlediska m ení v programu IxChariot Telefónica O2 p id luje privátní adresy. Problém je však v nedostupnosti jednotlivých terminál v rámci jedné privátní sít . Problém eší vybudování VPN spojení. Data byla p enášena až p enosovou rychlostí 925 kb/s, pr m rn kolem 850 kb/s ve všech pokrytých ástech Brna dle mapy na serveru Telefónica O2. Opa ný sm r vykazoval tém konstantní propustnost 320 kb/s v nezávislosti na denní dob a míst m ení. Oba sm ry se vyzna ovaly TCP slow start. Po dobu 10 až 15 s p enosové rychlosti „m ly“ delší nástup než dosáhly maximální možné p enosové rychlosti v podmínkách daného m ení. I p esto, že VoIP využívá UDP pakety, za átek každého volání se vyzna uje velkým jednosm rným zpožd ním, které výrazn ovliv uje MOS. P es technologii HSDPA lze bezproblémov provozovat VoIP za použití kodek G.711 a G.729 p i kvalit hovoru MOS 4,2 resp. 4,0. U technologie UMTS dochází k zna né degradaci úrovn pro kodek G.711. Na rozdíl od operátora T-Mobile videohovor s p enosovou rychlostí 350 kb/s vykazuje ztrátovost MLR 11,57 a DF 201 ms, pro p enosovou rychlost 100 kb/s je dokonce MLR 0,045 a DF 112 ms. U videohovoru s p enosovou rychlostí 100 kb/s ukázaly testy výrazný pokles kvality hovoru na MOS 2,71, ovšem praktické testy tento výrazný pokles nepotvrdily. P es HSDPA je možné sledovat video stream až o p enosové rychlosti 600 kb/s, další navyšování p enosové rychlosti navyšuje etnost artefakt . Poslední operátor U:fon zp ístup uje svým klient m 3G sí pomocí CDMA 2000 v Rev.A, která je provozována na frekvenci 425 MHz. Pokrytí touto technologií je velmi 66

kvalitní a je výrazn lepší než u O2. U:fon neomezuje zákazníky p enosovou rychlostí dle tarifu, ale aplikuje FUP. Stejn jako u p edešlých operátor instalace probíhala bez problém . U:fon pod svojí sítí provozuje dv technologie, 1xRTT a 1xEV-DO. Sí 1xRTT je sí poskytující pouze hlasovou službu. Pomocí softwarového telefonu lze uskute nit hovor do jakékoliv sít vyto ením MSISDN. K navázání spojení dojde b hem 7 vte in. Tato doba je standardní jako u GSM. Kvalita hovoru je o n co horší (MOS 4.1) než u GSM (MOS 4,3). Druhá technologie EV-DO je ist datová sí . Rychlost ve sm ru download i upload byla siln závislá na denní dob , kdy byl provoz uskute ován. P es den se p enosové rychlosti pohybovaly okolo 340 kb/s, resp. 280 kb/s, v no ních hodinách vzrostly až na 1312 kb/s, resp.421 kb/s. Ale jak nazna ily pr b hy, p enosová rychlost b hem zatížení je velmi nestabilní a dochází k periodickému opakování maxim minim. P ipojení p es U:fon se vyzna uje velmi nízkým zpožd ním ve srovnání s ostatními operátory, a to 85 ms se sm rodatnou odchylkou 25 ms. Volání VoIP mezi dv ma terminály operátora U:fon lze realizovat se subjektivní kvalitou MOS 3,6. Celkovou kvalitu p edevším sráží sm r upload, kde se p i realizaci objevovaly ob asné výpadky. Kvalita hlasu je ješt mnohem více zhoršena b hem videohovoru. B hem odpoledních hodin videohovor provozovat nelze. B hem no ních hodin, kdy zatížení sít je menší, tyto videohovory o p enosové rychlosti 100 kb/s lze uskute nit s dobrou kvalitou hlasu i obrazu. Celá mobilní technologie sm uje k další generaci LTE (Long Term Evolution), která je úsp šn testovaná v sousedním N mecku. A jaké jsou plány v R? T-Mobile Czech Republic, a.s. pod tíhou konkuren ního souboje plánuje postavit svoji vlastní UMTS FDD sí s pokrytím 70% populace do roku 2010. Vodafone testuje svoji 3G sí (technologie HSPA), se kterou pokrývá m stské obvody Prahy 9 a 10. A Telefónica? Ta po velmi rozpa itém pokrytí Prahy a Brna se též chystá do roku 2011 pokrýt 70% populace technologií HSDPA a již nyní zlepšila p enosovou rychlost ve sm ru download na 3,2 Mb/s. Uvidíme za t i roky, zda jsou tato tisková prohlášení myšlena vážn , i jsou to jen marketingové tahy našich mobilních operátor .

67

LITERATURA [1] BANNISTER, Jeffrey, et al. Convergence Technologies for 3G Networks IP, UMTS, EGPRS and ATM. [s.l.] : John Wiley & Sons Ltd, 2004. 650 s. ISBN 0-470-86091-X. [2] DAHLMAN, Erik, et al. 3G Evolution : HSPA and LTE for Mobile Broadband. [s.l.] : Academic Press, 2007. 448 s. ISBN 9780123725332. [3] HOLMA, Harri, TOSKALA, Antti. WCDMA for UMTS : Radio Access for Third Generation Mobile Communications. [s.l.] : John Wiley & Sons, Ltd, 2004. 450 s. ISBN 0470-87096-6. [4] AFTAB, Ahmad. WIRELESS AND MOBILE. [s.l.] : John Wiley & Sons, Inc, 2004. 346 s. [5] ALI ABU-RGHEFF, Mosa. Introduction to CDMA Wireless Communications. [s.l.] : Academic Press, 2007. 614 s. ISBN 978-0-75-065252-0. [6] DAHLMAN, Erik, et al. UMTS/IMT-2000 Based on Wideband CDMA. In IEEE Communications Magazine. [s.l.] : [s.n.], 1998. s. 70-80. [7] FABRICIUS, M. Správa rádiových zdroj v sítích CDMA2000 a UMTS. Brno: Vysoké u ení technické v Brn , Fakulta elektrotechniky a komunika ních technologií, 2007. 74 s. Vedoucí bakalá ské práce doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D. [8] Ixia. IxChariot User Guide. [s.l.] : [s.n.], January 2008. 200 s. Release 6.50. [9] GLOBAL UMTS AND HSPA OPERATOR STATUS [online]. 2008 , 1-Oct-08 [cit. 200810-10]. Dostupný z WWW: <www.3gamericas.org/pdfs/Global_3G_Status_Update.pdf>. [10] GSMweb.cz [online]. .

c1997-2008

[cit.

2008-11-12].

Dostupný

z

WWW:

[11] 3GPP TS 27.007 V8.5.0 : 2008-09-24. AT command set for User Equipment (UE) (Release 8). [12] HOLMA, Harri, TOSKALA, Antti. HSDPA/HSUPA for UMTS : High Speed Radio Access for Mobile Communications. [s.l.]. 2006th edition. West Sussex, England : John Wiley & Sons Ltd, 2006. 245 s. [13] HOLMA, Harri, TOSKALA, Antti. WCDMA for UMTS : HSPA Evolution and LTE. 2007th edition. West Sussex, England : John Wiley & Sons Ltd, 2007. 539 s. ISBN 978-0470-31933-8. [14] Hamachi - Wikipedia, the free encyclopedia [online]. [2008] , 23 March 2009 [cit. 200903-27]. Dostupný z WWW: . [15] Quality of Service - WIMAX [online]. c2009 [cit. 2009-04-07]. Dostupný z WWW: .

68

[16] VACULÍN, Jan. Realita WiMAXu v R - 2.díl [online]. 2008 , 22.4.2008 [cit. 2008-0407]. Dostupný z WWW: . [17] VACULÍN, Jan. Realita WiMAXu v R - 1.díl [online]. 2008 , 28.10.2007 [cit. 2008-0407]. Dostupný z WWW: . [18] REETZ, Eike, et al. Performance Measurements of mobile WiMAX in Urban and SubUrban Areas. [s.l.] : [s.n.]. Osnabruck: University of Applied Science Osnabruck, [2006?]. 6s. [19] ANDREWS, Jeffrey G., GHOSH, Arunabha, MUHAMED, Rias. Fundamentals of WiMAX : Understanding Broadband Wireless Networking. [s.l.] : [s.n.], c2007. 449 s. ISBN 0-13-222552-2. [20] AGILENT, IPTV QoE: Understanding and interpreting MDI values. White paper, 2008. [21] KARIM, M. R., SARRAF, Mohsen. W-CDMA and cdma2000 for 3G mobile networks. [s.l.] : McGraw-Hill Professional, 2002. 384 s. ISBN 0071385134.

69

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK 2G 3G 3GPP AAA AMPS ARQ BCCH BE BCH BoD BSC BTS CCCH CDMA 1x EVDO CDMA 1x RTT CDMA 2000 CID CPCH CQI CTCH TÚ DCA DCCH DECT DF DCH DPCCH DPDCH DS E-AGCH EDGE E-DPDCH E-HICH E-RGCH ERT-VR ETSI FA FACH FDD FEC FH

the Second Generation the Third Generation the Third Generation Partnership Project Authentication, Authorization & Advanced Mobile Phone Systém Automatic Repeat reQuest Broadcast Control Channel Best-Effort Broadcast Channel Bandwidth on Demand Base Station Controller Base Transreceiver Station Common Control Channel CDMA 1x Evolution-Data Optimized CDMA 1x Radio Transmission Technology Code Division Multiple Access 2000 Connection Identificator Common Packet Channel Channel-Quality Indicator Common Traffic Channel eský telekomunika ní ú ad Dynamic Channel Allocation Dedicated Control Channel Digital Enhanced Cordless Telecommunications Delay Factor Dedicated Channel Dedicated Physical Control Channel Dedicated Physical Data Channel Direct Sequence Enhanced-DCH Absolute Grant Channel Enhanced Data rates for Global Evolution Enhanced Dedicated Physical Data Channel Enhanced Hybrid ARQ Indicator Channel Enhanced-DCH Relative Grant Channel Extended Real-Time Variable Rate European Telecommunications Standards Institute Foreign Agent Forward Access Channel Frequency Division Duplex Forward Error Correction Frequency Hopping 70

GGSN GPRS GSM HA HARQ HSDPA HS-DSCH HSPA HS-SCCH HSUPA IMT IR ISDN LPI MIMO MLR ML-RLP MSS NMT nrtPS OVSF PCF PCCH PDSN PCH PPP PSDN PSK PSTN QAM QoS RACH RAN RNC rtPS RTT SF SFID SGSN SNR TD-CDMA TDD

Gateway GPRS Support Node General Packet Radio Service Global System for Mobile communication Home Agent Hybrid ARQ High Speed Downlink Packet Access High Speed Downlink Shared channel High Speed Packet Access High-Speed Shared Control Channel High Speed Uplink Packet Access International Mobile Telecommunications Incremental Redundancy Integrated Services Digital Network Low Probability of Interception Multiple Input-Multiple Output Media Lost Rate MultiLink Radio Link Protocol Mobile Satellite Systém Nordic Mobile Technology non-real-time Polling Service Orthogonal Variable Spreading factor Packet Control Function Paging Control Channel Packet Data Serving Node Paging Channel Point-to-Point Protocol Public Switched Data Network Phase Shift Keying Public Switched Telephone Network Quadrature amplitude modulation Quality of Service Random Access Channel Radio Access Network Radio Network Controller real-time Polling Services Round Trip Time Spreading Factor Service of Flow Identifier Serving GPRS Support Node Signal-to-Noise Ratio Time Division CDMA Time Division Duplex

71

TFI TPC TTI UE UGS UMB UMTS UTRAN VoIP WCDMA WiMAX

Transport Format Indicator Transmission Power Control Transmission Time Interval User Equipment Unsolicited Grant Service Ultra Mobile Broadband Universal Mobile Telecommunication System UMTS Terrestrial Radio Access Network Voice over IP Wideband CDMA Worldwide Interoperability for Microwave Access

72

SEZNAM P ÍLOH P íloha A.1: Na tomto grafu je zobrazen rozdíl v p esnosti m ení za použití VPN (hamachi) a bez použití VPN (no_hamachi). Z m ení lze íci, že VPN výrazn neovliv uje provedená m ení....................................................................................................................................... 74 P íloha A.2: Následující graf ukazuje pr b h parametru DF pro jednotlivé p enosové rychlosti videí ve sm ru downlink p i spojení PC-to-UE ....................................................................... 74 P íloha B.1: Porovnání n kolika pr b h jednoho terminálu UE, který navazuje spojení s Node B b hem již probíhajícího p enosu dat jiného terminálu UE....................................... 75 P íloha B.2: Porovnání aplika ního obousm rného zpožd ní u technologie HSDPA a UMTS .................................................................................................................................................. 75 P íloha B.3: Na základ všech test kodek G.729 vykazuje nejlepší subjektivní kvalitu VoIP hovoru....................................................................................................................................... 76 P íloha C.1: Neúplný vý et Node B, které zp ístup ují ob an m Brna U:fonovu CDMA sí 77 P íloha C.2: Graf znázor ující ztrátovost dat u VoIP ve sm ru downlink charakteristický špi kovými hodnotami ............................................................................................................. 77 P íloha C.3: Porovnání schopnosti sít CDMA 2000 Rev.A p ehrávat on-line videa pro r zné p enosové rychlosti .................................................................................................................. 78

73

P ÍLOHY A. T-MOBILE

P íloha A.1: Na tomto grafu je zobrazen rozdíl v p esnosti m ení za použití VPN (hamachi) a bez použití VPN (no_hamachi). Z m ení lze íci, že VPN výrazn neovliv uje provedená m ení

P íloha A.2: Následující graf ukazuje pr b h parametru DF pro jednotlivé p enosové rychlosti videí ve sm ru downlink p i spojení PC-to-UE

74

B. TELEFÓNICA O2

P íloha B.1: Porovnání n kolika pr b h jednoho terminálu UE, který navazuje spojení s Node B b hem již probíhajícího p enosu dat jiného terminálu UE

P íloha B.2: Porovnání aplika ního obousm rného zpožd ní u technologie HSDPA a UMTS

75

P íloha B.3: Na základ všech test kodek G.729 vykazuje nejlepší subjektivní kvalitu VoIP hovoru

76

C. U:FON

P íloha C.1: Neúplný vý et Node B, které zp ístup ují ob an m Brna U:fonovu CDMA sí

P íloha C.2: Graf znázor ující ztrátovost dat u VoIP ve sm ru downlink charakteristický špi kovými hodnotami

77

P íloha C.3: Porovnání schopnosti sít CDMA 2000 Rev.A p ehrávat on-line videa pro r zné p enosové rychlosti

78